EP3372989A1 - Verfahren zum räumlichen messen einer nanoskaligen struktur - Google Patents

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EP3372989A1
EP3372989A1 EP17182455.0A EP17182455A EP3372989A1 EP 3372989 A1 EP3372989 A1 EP 3372989A1 EP 17182455 A EP17182455 A EP 17182455A EP 3372989 A1 EP3372989 A1 EP 3372989A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for spatially measuring a nanoscale structure in a sample.
  • the method comprises the steps of marking the nanoscale structure at various sites with fluorescent labels, exciting the fluorescent labels with excitation light to emit fluorescent light, recording the fluorescence emitted from the sample, and determining positions of the fluorescent labels in the sample from the registered intensities of the fluorescent light.
  • the present invention relates to a method of determining the position of the individual fluorescent markers in the sample with an accuracy beyond the diffraction limit at the wavelength of the excitation light and at the wavelength of the fluorescent light.
  • an intensity distribution of fluorescence-preventing light is formed to have a local minimum, which is then placed at different positions in the sample.
  • the fluorescent light emitted from the sample is registered separately for the different positions of the minimum in the sample.
  • the conditions are created so that the determination of the positions of the fluorescent markers in the sample from the intensities of the fluorescent light registered for the different positions of the minimum is possible with an accuracy far beyond the diffraction limit.
  • a method for spatially high-resolution imaging of a fluorescent marker-labeled structure of a sample in which the sample is exposed to excitation light and stimulation light as fluorescence-preventing light, as in STED fluorescence microscopy, around the region of the sample, the fluorescent light emitted from the sample and detected can be assigned to limit the range of a zero point of the stimulation light.
  • the sample is additionally exposed to excitation prevention light whose intensity distribution has a local minimum that coincides with the zero point of the stimulation light.
  • this excitation-prevention light may be turn-off light that turns off the switchable fluorescent marker outside the minimum of the excitation-preventing light to an inactive state in which it can not be excited by the excitation light to emit fluorescent light.
  • the fluorescent markers can be switchable fluorescent dyes, as used in high-resolution RESOLFT fluorescence microscopy.
  • a method for spatially high-resolution imaging of a labeled with fluorescent markers structure of a sample having the features of the preamble of independent claim 1 is derived from DE 10 2016 117 096 A1 out.
  • a method of STED fluorescence microscopy in which the sample is acted upon by excitation light with stimulation light as fluorescence prevention light to the region of the sample, the fluorescent light emitted from the sample and detected can be assigned to the area of a zero point of the stimulation light limit.
  • the zero point is arranged exclusively within a near zone in the sample whose dimensions are significantly smaller than a distance of these intensity maxima are.
  • the sample may be externally switched off, switching off the switchable fluorescent label outside the minimum of the excitation-preventing light to an inactive state in which it can not be excited by the excitation light to emit fluorescent light.
  • these fluorescence markers can also be switchable fluorescent dyes, as used in high-resolution RESOLFT fluorescence microscopy.
  • MINFLUX microscopy the positions of scattered fluorescence markers in a sample are determined by arranging a zero of an intensity distribution of excitation light at a midpoint of a measurement region and at three positions uniformly distributed around the midpoint at the edge of the measurement region four positions of the zero, the intensity of the fluorescent light is measured by the respective fluorescent marker. The closer the four positions of the zero are to one another and yet together span the sought position of the respective fluorescent marker, the more accurately the position of the fluorescent marker can be determined from only a few photons of the fluorescent light registered for each of the positions of the zero.
  • the invention has for its object to provide a method having the features of the preamble of independent claim 1, with a nanoscale structure with respect to their individual labeled with the fluorescent markers positions even at higher density of the simultaneously in their active state fluorescent marker similar to the MINFLUX microscopy can be measured.
  • the procedure should also be for measuring several nanoscale structures, for example, be suitable in the context of drug screening.
  • the object of the invention is achieved by a method having the features of independent claim 1.
  • the dependent claims 2 to 15 relate to preferred embodiments of the method according to the invention.
  • a method according to the invention for spatially measuring at least one nanoscale structure in a sample comprises the partially overlapping steps of marking, exciting, registering and determining.
  • nanoscale structure is measured in the method according to the invention means that this structure has nanoscale dimensions of not more than 200 nm, often not more than 100 nm and often not more than 50 nm or even only 30 nm.
  • the nanoscale structure is labeled with fluorescence markers at various positions. That is, any structure that is measured according to the invention is labeled with at least two fluorescent labels attached to the structure at two different locations.
  • the number of fluorescence markers with which each structure is marked can also be deliberately kept small and limited, for example, to not more than 10. If several identical structures are measured, preferably all structures are labeled at equal points with an equal number of fluorescent labels.
  • the fluorescent markers attached to different parts of a structure may be the same or different.
  • the fluorescence markers labeled with the structure to be measured are excited with excitation light to emit fluorescent light at the respective position of a local minimum of an intensity distribution of fluorescence prevention light which is placed at different positions in the sample upon excitation.
  • the local minimum can be a true zero of the intensity distribution of the fluorescence prevention light in which the intensity of the fluorescence-preventing light actually goes back to zero. In any case, only a low residual intensity of the fluorescence-preventing light in the local minimum is desired. In all directions in which the structure is measured in the method according to the invention, the local minimum is limited by a maximum of the intensity distribution of the fluorescence-preventing light.
  • the local minimum for exciting is specifically arranged at different positions in a near zone in the sample. The dimensions of this near zone, in particular its diameter, are not greater than the diffraction limit at the wavelength of the excitation light and the wavelength of the fluorescent light.
  • the fluorescent light emitted from the sample is separately registered for the single fluorescent label and for the different positions of the minimum in the sample.
  • the registered fluorescent light can be assigned to both a specific fluorescence marker and a specific position of the minimum in the sample. Accordingly, the separate registration of the fluorescent light emitted from the sample must only go so far that this assignment of the registered fluorescent light is possible in each case both to a specific fluorescence marker and to a certain position of the minimum in the sample.
  • measuring a structure labeled with a few fluorescent labels means measuring distances between the positions of the fluorescent labels on the structure.
  • an intensity distribution of the excitation light preferably has a maximum at the respective position of the local minimum of the intensity distribution of the fluorescence-prevention light.
  • the excitation light is concentrated to the area of the local minimum of the intensity distribution of the fluorescence-preventing light, even though its maximum due to the diffraction limit has larger dimensions than are possible at the local minimum down and regularly implemented in the method according to the invention.
  • the excitation light and the fluorescence prevention light are superimposed with such intensity distributions, as is also the case with RESOLFT and in particular STED microscopy.
  • the fluorescence-inhibiting light can be, in particular, STED or stimulation light, in that the fluorescence marker excited by the excitation light is again de-stimulated by stimulated emission before it can emit fluorescent light that would be registered.
  • the fluorescent light can only originate from a fluorescence marker which is located in the region of the local minimum.
  • the dependence of the intensity of the fluorescent light, which is registered for each fluorescent marker, exploited by the removal of its position to the position of the local minimum to its position with very high accuracy from the recorded for several positions of the minimum intensities of the fluorescent light determine. Accordingly, in the method according to the invention, the minimum of just as few positions in the sample can be positioned and the evaluation of the intensities of the registered fluorescent light can be carried out according to the same principles as in the case of MINFLUX microscopy. However, as a significant difference, in MINFLUX microscopy, the intensity of the fluorescent light from the respective fluorescent marker increases with increasing distance of its position to the position of the local minimum, whereas in the method according to the invention it decreases with increasing distance.
  • the method according to the invention has overlaps with RESOLFT and in particular STED microscopy, it differs from RESOLFT and STED microscopy in that the positions of isolated fluorescence markers are specifically determined, for which the fluorescence markers are often to be singled first and in that, for the position determination, the intensities of the fluorescent light registered at a few different positions of the local minimum are evaluated, as a rule by fitting a function having a local maximum. The position of the local maximum of the fitted function can be equated to the sought position of the fluorescent marker in the sample.
  • the method according to the invention has the advantage that the intensity maxima of the fluorescence-preventing light adjoining the zero point advantageously prevent it from being in the vicinity Fluorescence light emitted by other fluorescence markers disturbs the position determination.
  • the dimensions of the near zone are not greater than the diffraction limit at the wavelength of the excitation light and the wavelength of the fluorescent light, and the near zone is scanned by arranging the local minimum of the intensity distribution of the fluorescence inhibiting light at the various locations within the near zone, i , H. subdivided so that the positions of the fluorescent markers can be determined with a spatial resolution of a fraction of the dimensions of the near zone.
  • the dimensions of the near zone in which the local minimum is located at various positions about the position of the respective positioning tool are not greater than half, and more preferably not greater than one quarter of the diffraction limit at the wavelength of the excitation light and the wavelength of the fluorescent light ,
  • the local minimum of the intensity distribution of the fluorescence prevention light does not have to be arranged at many different positions in the near zone around the position of the respective positioning aid, with the position of the respective fluorescence marker compared with the dimensions of the near zone to determine very high spatial resolution.
  • the positions of the individual fluorescence markers are typically determined from the intensities of the fluorescence light registered for not more than 4n, often not more than 3n and more preferably not more than 2n different positions of the minimum. Where n is the number of spatial directions in which the positions of the individual fluorescence markers in the sample are determined.
  • determining the positions of the individual fluorescence markers in the sample may include probing a local maximum spatial function to the intensities of the fluorescent light registered for each fluorescence marker for the different positions of the minimum of the intensity distribution of the fluorescence-inhibiting light.
  • the spatial function having the local maximum ideally has the same course as the intensity of the fluorescence light from the respective fluorescence marker over its distance to the local minimum of the intensity distribution of the fluorescence-inhibiting light.
  • at least one of the fluorescence markers or another similar fluorescent marker can be scanned with the minimum, whereby the fluorescent light emitted from the sample is registered.
  • Sampling means that the local minimum in this case is displaced many small steps in comparison with the few positions of the local minimum in the respective near zone.
  • the dimensions of the near zone in which the minimum of the intensity distribution of the fluorescence-preventing light is deliberately arranged can additionally be set to be not greater than a half-width or one half or one-quarter of the half-width of a distribution of the intensity of the fluorescence marker be emitted fluorescence light over its distance to the local minimum. This distribution is exactly what is obtained when the fluorescence label is scanned to the minimum as described in the previous paragraph, thereby registering the fluorescent light emitted from the sample.
  • the steps of exciting, registering and determining can be repeated for at least one increased intensity of the fluorescence prevention light and preferably for correspondingly reduced dimensions of the near zone.
  • the smaller near zone can be arranged around a position of the respective fluorescence marker determined with the earlier intensity of the fluorescence-preventing light. In this way, the accuracy of the position determination can be increased iteratively.
  • the fluorescent light emitted from the sample can be registered separately for the individual fluorescent markers with which the respective structure is marked, the fluorescent light emitted by the different fluorescent markers must be separable. It is not only possible to separate the fluorescent light from the different fluorescent markers afterwards, from where it is emitted from the sample, since several fluorescent markers are each attached to the same nanoscale structure and thus closer, usually much closer together than the diffraction limit the wavelength of the fluorescent light. Therefore other differentiation possibilities of the fluorescent light from the individual fluorescent markers must be present or created.
  • the individual fluorescent markers on the respective structure can be selectively excited and / or emitted by excitation light of different wavelengths Fluorescence light can be detected wavelength-selective.
  • the fluorescent markers may be selected from those having an active state in which they are excitable with excitation light for emission of fluorescent light, and an inactive state in which they are not excitable at least with the same excitation light for emission of fluorescent light, and those between their active and their inactive state are convertible.
  • the fluorescence markers can be selected from those which differ in their excitation spectrum and / or their emission spectrum or which can be switched from their active state to their inactive state (or vice versa) with switching light.
  • the switching light can basically have the same wavelength as the excitation light or the fluorescence prevention light.
  • the respective near zone can be approached by other means for relative displacement of the minimum of the intensity distribution of the fluorescence-inhibiting light relative to the sample than the positions of the minimum within the near zone.
  • This makes it possible to use means for the fine positioning of the minimum within the near range, which are suitable for the precise positioning of the minimum in the sample, but not for the displacement of the minimum over longer distances. These larger distances can then be bridged with the means for approaching the near range.
  • the means of starting up the respective Near range move the entire sample to a lens that focuses the excitation light in the sample, while the minimum is displaced within the respective close range with respect to the lens operating beam deflection.
  • the structure can be coupled to a positioning aid whose position in the sample is known and / or whose position in the sample is determined after coupling from light reflected by the positioning aid. Then, the near range can be arranged around the known position of the positioning tool. This ensures directly that the fluorescence markers attached to the structure fall into the near zone.
  • the position of the positioning aid in the sample and thus fixed relative to fixed points of the sample are fixed relative to fixed points of the sample.
  • the near range or the positions of the minimum within the near range can be approached relative to the fixed points of the sample.
  • a plurality of nanoscale structures to be measured can be coupled to a respective positioning aid.
  • the positioning aids are those whose positions in the sample are already known because, for example, during the preparation or preparation of the sample, they have been arranged specifically at these positions and / or because their positions located in the sample already exist prior to coupling to any one of them Way were determined.
  • the positions of the positioning aids in the sample can be determined continuously and thus also after the coupling of light, which is reflected by the positioning aids.
  • the nanoscale structures extend from the position of the respective positioning aid, with not more than 200 nm, 100 nm, 50 nm or 30 nm at end-side coupling and not significantly more than 100 nm with a preferred central coupling, 50 nm, 25 nm or 15 nm.
  • the proximity to the position of the positioning aid with the minimum of the intensity distribution of the fluorescence-preventing light can be targeted, because the position of the positioning aid is known or determined without the emission of photons of the fluorescent light from the Fluorescence markers required.
  • the measurement of the respective nanoscale structure with the aid of the fluorescence markers thus takes place in this embodiment of the method according to the invention by utilizing a prior knowledge of the position of the nanoscale structure or of the individual fluorescence markers arranged thereon. Due to the coupling of the structure of interest to the positioning aid, the structure and thus also the fluorescent markers attached to it are in the immediate vicinity of a positioning aid.
  • this minimum is therefore already close to the respective fluorescence marker.
  • the positioning aids in the sample can be fixed coupling sites for the nanoscale structures to be measured, which can be arranged in a predefined pattern in the sample.
  • the structures can be coupled to the coupling sites via an immune reaction.
  • an additional fluorescence marker can first be coupled to the coupling sites whose fluorescent light is used to determine the positions of the coupling sites.
  • a large number of photons of the fluorescent light and the further fluorescent marker can be used to determine the positions of the coupling sites with very high accuracy.
  • these further fluorescence markers can again be detached from the coupling sites whose positions are known when the nanoscale structures are coupled in the subsequent implementation of the embodiment of the method according to the invention explained here.
  • the nanoscale structures are coupled to the positioning aids before their positions are known, there are possibilities to provide the positions of the To determine positioning aids, if possible without having to rely on fluorescent light from the fluorescent markers on the nanoscale structures back.
  • the positioning aids may comprise gold or silver particles or quantum dots which reflect light, with the aid of which the positions of the positioning aids can be determined with high accuracy.
  • a plurality of nanoscale structures to be measured are the same or comprise at least several identical structures.
  • the same structures in different areas of the sample can be exposed to different environmental conditions in order to measure the effects of these environmental conditions on the nanoscale structures.
  • the resulting spatial distance or the relative arrangement of the fluorescence markers on the nanoscale structures can be measured.
  • the positions of the individual fluorescent markers in the sample can be determined for at least two different times from the intensities of the fluorescent light registered for these at least two time points, in order to measure, for example, reactions of the structures to changed ambient conditions or, beyond that, dynamics of these reactions.
  • the structures can be exposed to different environmental conditions for the at least two times, or the at least two points in time can follow such a change in the environmental conditions.
  • the last-described embodiment of the method according to the invention makes it possible, in particular, to efficiently carry out drug screenings in which the changed environmental conditions are set by adding one of the substances to be searched.
  • the reaction of the structure to the addition of the respective substance is detected directly by repeatedly measuring the respective nanoscale structure according to the invention. It does not require the implementation of detection reactions on the nanoscale structure.
  • the amounts consumed in such a drug screening according to the invention quantities of substances to be searched are tiny.
  • the addition of a single molecule of each of the substances to one of the nanoscale structures Accordingly, it is also possible to investigate substances which are available only in small amounts in a drug screening according to the invention.
  • the structures are brought by their coupling to the positioning aids not only in a known position or determinable without loading the fluorescent marker position, but the structures are also aligned defined, d. H. for example, oriented parallel to a main extension plane of the respective sample.
  • this orientation has the purpose of orienting the structures with respect to the sample in such a way that distances of the fluorescence markers or of the various sites at which the structures are marked with the fluorescence markers run in or parallel to the direction or plane in which the local Minimum is arranged at different positions in the sample.
  • these distances and changes in these distances by determining the positions of the individual fluorescent markers are particularly easy to detect.
  • the structures coupled to the positioning aids have a fixed orientation in the sample.
  • the fluorescent markers can be checked which of the structures are oriented so that the distances between their regions marked with the fluorescent markers run in the main extension plane of the sample.
  • the method according to the invention can then be restricted to the structures which have the desired orientation, while other structures which do not have this orientation are no further be taken into account. This is particularly useful for quickly obtaining meaningful information about reactions of the structures to changed environmental conditions.
  • the positions of the positioning aids are arranged at minimum distances from each other which are at least twice as large as the diffraction limit at the wavelength of the excitation light and the fluorescent light.
  • the fluorescent light from the sample can be assigned to the individual near areas and thus to the individual nanoscale structures to be measured separately by optical means. If the positions of the positioning means are arbitrarily set, for example, by placing them in a predefined pattern in the sample, the said minimum distance of twice the diffraction limit at the wavelength of the excitation light and the wavelength of the fluorescent light can be directly maintained.
  • the positioning aids are randomly distributed in the sample, a low density of positioning aids must be used to ensure that their distances are not less than twice the diffraction limit in the sample Wavelength of the excitation light and the wavelength of the fluorescent light are. This usually requires a density which is significantly smaller than the reciprocal of the double diffraction limit at the wavelength of the excitation light and the wavelength of the fluorescent light.
  • the positioning aids can be checked for the distances between them. Thereafter, the positioning aids whose positions have been identified as being too close to each other, and the nanoscale structures coupled to them can be disregarded in the further implementation of the method according to the invention.
  • the predefined pattern can be selected in particular from periodic and more particularly hexagonal and square patterns. Then, the proximity regions to be approached when carrying out the method according to the invention are also arranged in such a periodic, hexagonal or square pattern. In a hexagonal pattern, the density of the positioning aids that keep the minimum distances of twice the diffraction limit at the wavelength of the excitation light and the wavelength of the fluorescent light is maximized.
  • the fluorescence markers are switched to the inactive state where the maxima of the excitation light or of the further light occur and where without this protective measure, the fluorescence markers would be burdened by the high intensities of the excitation light or the other light and from where they only the current measurement would emit impairing fluorescent light.
  • the absolute density of the nanoscale structures in the sample can then be particularly high, without the measurement of any nanoscale structure that has to photochemically stress its neighboring nanoscale structures or fluorescent light from the adjacent nanoscale structures disturbing the current measurement.
  • the fluorescence markers are selected from fluorescence markers that are mobile in the sample and attach individually to the structure at different locations , These fluorescent markers are added to the sample in such a concentration and / or in a spatial distribution that they individually attach to the structure one after the other. When attached to the structure, its position is determined according to the invention. In this embodiment of the method according to the invention, therefore, the same separation of the fluorescent markers as in the PAINT concept is used. Accordingly, all known for the PAINT concept variants of this separation can be implemented in this embodiment of the method according to the invention.
  • the fluorescent markers can only be transferred to an active state in which they are excitable with the excitation light for the emission of fluorescent light when they are attached to the structure of an inactive state in which they are not excitable with the excitation light for the emission of fluorescent light ,
  • the fluorescent markers only temporarily attach themselves to the structure, and / or they are sustained upon prolonged exposure to the excitation light and / or the fluorescence-preventing light or by means of further light, d. H. at least as long as a dark state that they do not interfere with the further measurement of the respective nanoscale structure.
  • the positions of the individual fluorescence markers are additionally determined by MINFLUX microscopy. This means that in addition the following steps are carried out: excitation of the fluorescence markers with excitation light for emission of fluorescent light, wherein the intensity distribution of the excitation light has the local minimum, which is arranged at different positions in the sample, registering the fluorescence light emitted from the sample separately for the individual fluorescence markers and for the different positions of the minimum of the intensity distribution of the excitation light, and determining the positions of the individual fluorescence markers in the sample from the intensities of the fluorescence light registered for the respective fluorescence marker for the different positions of the minimum of the intensity distribution of the excitation light.
  • the isolated fluorescence markers are acted upon with only a minimal amount of light and thus only minimally photochemically loaded.
  • the local extremum of a spatial function which is adapted for determining the position of the respective fluorescence marker to the intensities of the fluorescence light originating from it is also a local minimum.
  • complementary intensity curves of the fluorescence emitted by the individual fluorescence markers from the sample on the one hand on the different positions of the minimum intensity distribution of the fluorescence preventing light and on the other positions of the minimum of the intensity distribution of the excitation light in the sample be matched in determining the positions of the individual fluorescent markers in the sample.
  • positions of the individual fluorescent markers in the sample determined from the intensities of the fluorescent light registered for the respective fluorescent marker for the various positions of the minimum of the intensity distribution of the fluorescence-preventing light may be taken into consideration in determining the positions, followed by the other At least the intensity distribution of the excitation light is arranged, and vice versa.
  • iterative determination of the positions of the individual fluorescence markers with increasing accuracy it is thus possible to change stepwise between a STED and a MINFLUX constellation.
  • Fig. 1 The method according to the invention illustrated in a flow chart begins with a marking 1 of nanoscale structures at different locations with fluorescent markers.
  • each of the nanoscale structures is labeled with at least two selected and in the same structures even with the same fluorescence marker.
  • the fluorescent markers attached to the various points of the respective structure can be identical insofar as they have an active and an inactive state between which they can be transferred, or they differ in their spectral properties with respect to the excitation light with which they emit fluorescent light are excitable, and / or the fluorescent light emitted by them as a result of the excitation.
  • Coupling 2 of the nanoscale structures to positioning aids is in Fig. 1 as the subsequent step to marking 1.
  • coupling 2 of the structures to the positioning aids may also precede the marking 1 of the structures. Further, it is possible that the marking 1 and the coupling 2 occur simultaneously.
  • the positions of the positioning aids in a sample are either known, which implies that they are solid, and / or they can be determined from light which is reflected by the positioning aids, for example because they comprise gold or silver particles or quantum dots. This determination of the positions of the positioning aids can thus take place without stressing the fluorescence markers by excitation and emission of fluorescent light.
  • the positioning aids in the sample are not fixed, but can move.
  • an intensity distribution of the excitation light may have a maximum at the respective location of the local minimum. If the local minimum of the intensity distribution of the fluorescence prevention light is arranged with the maximum of the intensity distribution of the excitation light in the vicinity of the respective positioning aid, the fluorescent markers in their active state, which can be excited by the excitation light, emit fluorescent light. The intensity of the fluorescent light is dependent on the distance of the respective fluorescent marker to the local minimum of the intensity distribution of the fluorescence-preventing light.
  • determining 5 is the position of the fluorescence marker single fluorescent marker from the intensities of the registered for the different positions of the minimum fluorescent light from the respective fluorescent marker possible.
  • the accuracy of this determination 5 depends on the number of registered photons of the fluorescent light depending on how close the positions of the local minimum are already at the position of the fluorescent marker.
  • the position of the positioning aid is very precisely known, for example at least ⁇ 40 nm or ⁇ 20 nm or ⁇ 10 nm or ⁇ 5 nm, and the coupling of the structures to the positioning aids is carried out so that they have a maximum spacing of the same order of magnitude Having the position of the positioning aid, the vicinity of each positioning aid, in which the position of the minimum are arranged, can be kept correspondingly small. If the positions of all fluorescent markers that match the respective structure is marked, are, in particular to relative positions of the fluorescent marker to each other, ie their distances, the respective structure is measured or measured. This measuring or measuring can be repeated after or during a change 6 of environmental conditions of the structures.
  • the environmental conditions of all structures in the sample can be changed in the same way. In this way, for example, the reactions of different nanoscale structures can be detected for the same change in ambient conditions.
  • the changing 6 of the environmental conditions in different areas of the sample and thus, for example, for the same structures in different ways.
  • different substances may be added to the same structures in different regions of the sample in order to detect the different reaction of the structures to these substances. This can be done for example in the context of drug screening.
  • changing the environmental conditions of the structures involves re-measuring or measuring the structures by performing the steps of Initiate 3, Register 4, and Determine 5.
  • Fig. 2 (a) shows very schematically an example of a nanoscale structure 7, which is marked at its two ends, each with a fluorescent marker 8 and 9 respectively.
  • the fluorescence markers 8 and 9 are shown differently here. However, as already stated, they can also be identical fluorescent markers if they can be converted between an active and an inactive state. This can be done, for example, with additional switching light that the fluorescence markers 8 and 9 transferred to transition probabilities in their active or inactive state, so that switching states are achieved by repeated application of the switching light, in which only one fluorescence marker 8 and only the other fluorescent marker. 9 is active.
  • a central coupling point 10 is formed on the structure 7. The coupling point 10 is designed to be coupled to a corresponding docking station 11 of a positioning aid 12.
  • Fig. 2 (b) shows the coupling point 10 coupled to the Ankoppelplatz 11 of a positioning 12, which consists only of the Ankoppelplatz 11 here, which is fixed relative to the rest of the sample 13.
  • Fig. 2 (c) the structure 7 coupled via the coupling point 10 coupled to a positioning aid 12, which includes a gold particle 14 in addition to the Ankoppelplatz 11. aid Of light that is reflected by the gold particle 14, also a changing position of the positioning aid 12 in the respective sample can be detected, without the fluorescent markers 8 and 9 are thereby claimed by excitation with excitation light and emission of fluorescent light.
  • Fig. 2 (d) shows the to the positioning aid 12 according to Fig. 2 (c) coupled structure 7, which is changed as a result of the action of a substance 15 as an example of changed environmental conditions of the structure 7.
  • the change consists in folding the ends of the structure 7 together so that the distance between the fluorescent markers 8 and 9 attached there is reduced.
  • the response of the structure 7 to the substance 15 can be directly detected by measuring the distance of the fluorescent markers 8 and 9.
  • Fig. 3 shows the structure 7 with the positioning aid 12 from a viewing direction orthogonal to the distance between its two ends, wherein in addition to the reduced distance 16 according to FIG Fig.2 (d) also the exit distance 17 in the extended structure 7 according to the Fig. 2 (c) is drawn.
  • a near zone 18 is shown at a known or previously determined position 19 of the positioning aid 12.
  • the local minimum of the intensity distribution of the fluorescence-preventing light when exciting the respective active fluorescent marker 8, 9 is arranged at four different positions 20 to 23, wherein the position 20 coincides with the position 19 of the positioning aid 12 and the position 21 to 23 in a the position 19, 20 extending circular arc are arranged equidistantly.
  • the fluorescent light from the respective fluorescent marker 8, 9 is determined separately. Then, from the intensities of the registered fluorescent light, the position of the respective fluorescent marker 8, 9 in the near zone can be determined very accurately.
  • the accuracy of the determination depends on the size of the near zone, ie its dimensions, in particular in the form of its diameter, facing Fig. 3 could also be halved. However, this would also presuppose that the position 19 of the positioning aid 12 would be known with extreme accuracy and in fact always coincides with the center of the structure 7. In order to cover inaccuracies and variants occurring here, the near range 18 is to be selected larger than appears necessary under ideal boundary conditions.
  • Fig. 4 shows an intensity distribution 24 of excitation light 25 with a central local minimum 26 in a plan view (a) with the viewing direction of Fig. 3 and a section perpendicular thereto through the local minimum 26 (b).
  • the local minimum 26 is on all sides a maximum 27 of the intensity distribution enclosed.
  • the intensity of the excitation light 25 ideally returns to zero. With increasing distance to the minimum 26, the intensity I initially increases approximately quadratically until it reaches its maximum value in the annular maximum 27.
  • this intensity distribution 24 utilizes the region immediately around the minimum 26 in which the intensity I increases quadratically, so that the intensity, correlated with the intensity I, of the intensity emitted and registered by the respective fluorescence marker Fluorescent light allows a clear conclusion on the removal of the fluorescent label from the minimum 26. From a plurality of such distances, which are determined for several positions of the minimum 26 in the respective close range, the exact position of the fluorescence marker can be determined, for example by triangulation, even better by fitting a function having a local minimum to the intensities of the individual positions of the Determine minimum registered fluorescence light.
  • the local minimum spatial function to be applied to the intensities of the fluorescent light registered to the individual positions of the minimum in the additional steps of the MINFLUX embodiment of the method according to the invention describes the dependence of the intensity of the fluorescent light on the distance of the respective fluorescent marker to the fluorescence marker local minimum 26. Accordingly, this function can be determined by scanning the same or a similar fluorescent marker or a light-reflecting positioning aid same cross-section. In this case, sampling means that the local minimum 26 is actually shifted in small steps, for example in at least 5 ⁇ 5 steps or 10 ⁇ 10 steps, in order to determine the course of a two-dimensional function.
  • Fig. 5 shows a sample 13 for performing a drug screening embodiment of the method according to the invention.
  • the sample 13 has on its outer periphery 28 fixed points 29 for the positioning of the sample 13 on a sample holder. Opposite the fixed points 29, a plurality of positioning tools 12 are arranged with respect to their positions 19 in a square pattern.
  • Each positioning aid 12 is located in a depression or a so-called hole 30 of the sample 13.
  • the holes 30 arranged correspondingly in rows 31 and columns 32 allow a substance to be added selectively to the positioning aid 12 in the respective hole 30 in the sample 13 coupled structure. Thus, reactions of equal or dissimilar structures can be detected on different substances become.
  • the structures before and after and possibly also during the addition of the substances are measured according to the method according to the invention, wherein the positions of the minimum 26 of the intensity distribution 24 according to FIG Fig. 4 is arranged in each case directly in the vicinity of 18 to the respective position 19 of the positioning aid.
  • the reaction of the respective structure can be detected at high speed, with a small number of photons emitted per fluorescence marker and still with high accuracy.
  • Fig. 6 shows a device 33 for carrying out the method according to the invention.
  • the device 33 has a sample holder 34 for the sample 13 with which the sample 13 can be moved relative to a base 35 in order to position it in relation to the other base-fixed components of the device 33.
  • This positioning is used in particular for approaching the respective short-range area 18 around the respective positioning aid.
  • the positioning takes place with respect to an intensity distribution of the excitation light 25, which is focused with an objective 36 into the sample.
  • the excitation light 25 is provided by a light source 37 so that when focusing with the lens 36, the intensity distribution according to Fig. 4 in the sample 13 sets.
  • the light source 37 in addition to a laser 38 beam shaping means 39, for example in the form of a so-called easySTED plate.
  • a scanner 40 also referred to as a scanner, is provided to displace the minimum 26 in the sample within the respective proximity region 18.
  • a dichroic beam splitter 41 arranged between the light source 37 and the scanning device 40 couples fluorescent light 42 from the sample 13 to a confocal detector 42.
  • a controller 43 controls the device 33 for automatically carrying out the method according to the invention, in particular during drug screening. In this case, the device 33 and a in Fig. 6 Not shown additional device to enter different substances in the individual holes 30.
  • the controller 43 comprises an evaluation device 44 which determines the positions of the individual fluorescence markers in the sample from the intensities of the fluorescence light registered for the respective fluorescence marker for the different positions of the minimum.
  • Fig. 7 illustrates the method according to the invention, in which not the intensity distribution 24 of the excitation light 25 has the local minimum 26, but an intensity distribution 48 of the fluorescence prevention light 46.
  • the local minimum 26 of the intensity distribution 48 surrounded by the intensity maxima 27 is concentric with a local maximum 47 Intensity distribution 24 of the excitation light 25 is arranged.
  • the fluorescent light 42 registered at various positions of the local minimum 26 can be used to deduce the position of the isolated fluorescent marker emitting the fluorescent light 42.
  • a spatial function representing the distribution 50 can be fitted with a local maximum to the intensities of the registered fluorescent light. This spatial function can also be determined by scanning the respective fluorescent marker or a similar fluorescent marker or a positioning aid having the same cross-section with the local minimum 26 and registering the fluorescent light 42 emitted thereby from the sample.

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Abstract

Zum räumlichen Messen einer nanoskaligen Struktur in einer Probe (13) wird die Struktur an verschiedenen Stellen mit Fluoreszenzmarkern (8, 9) markiert (1). Die Fluoreszenzmarker (8, 9) werden an der jeweiligen Position eines lokalen Minimums einer Intensitätsverteilung (48) von Fluoreszenzverhinderungslicht (46) mit Anregungslicht (25) zur Emission von Fluoreszenzlicht (42) angeregt (3). Dabei wird das lokale Minimum (26) an verschiedenen Positionen in einem Nahbereich (18) in der Probe (13) angeordnet, dessen Abmessungen nicht größer als die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts (25) und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts (42) sind, Das aus der Probe (13) emittierte Fluoreszenzlicht (42) wird getrennt für die einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) und für die verschiedenen Positionen des Minimums (20, 21, 22, 23) registriert (4); und Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) in der Probe (13) werden aus den für den jeweiligen Fluoreszenzmarker (8, 9) für die verschiedenen Positionen (20, 21, 22, 23) des Minimums (26) registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts (42) bestimmt (5).

Description

    TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum räumlichen Messen einer nanoskaligen Struktur in einer Probe.
  • Insbesondere umfasst das Verfahren die Schritte des Markierens der nanoskaligen Struktur an verschiedenen Stellen mit Fluoreszenzmarkern, des Anregens der Fluoreszenzmarker mit Anregungslicht zur Emission von Fluoreszenzlicht, des Registrierens des aus der Probe emittierten Fluoreszenzlichts und des Bestimmens von Positionen der Fluoreszenzmarker in der Probe aus den registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts.
  • Noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem das Bestimmen der Position der einzelnen Fluoreszenzmarker in der Probe mit einer Genauigkeit jenseits der Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und bei der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts erfolgt. Zu diesem Zweck wird eine Intensitätsverteilung von Fluoreszenzverhinderungslicht so ausgebildet, dass sie ein lokales Minimum aufweist, welches dann an verschiedenen Positionen in der Probe angeordnet wird. Dabei wird das aus der Probe emittierte Fluoreszenzlicht getrennt für die verschiedenen Positionen des Minimums in der Probe registriert. Bei hinreichend kleinen Abmessungen des lokalen Minimums sind so die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass das Bestimmen der Positionen der Fluoreszenzmarker in der Probe aus den für die verschiedenen Positionen des Minimums registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts mit einer Genauigkeit weit jenseits der Beugungsgrenze möglich ist.
    • STAND DER TECHNIK
  • Aus der WO 2014/108455 A1 ist ein Verfahren zum räumlich hochauflösenden Abbilden einer mit Fluoreszenzmarkern markierten Struktur einer Probe bekannt, bei dem die Probe wie in der STED-Fluoreszenzmikroskopie mit Anregungslicht und mit Stimulationslicht als Fluoreszenzverhinderungslicht beaufschlagt wird, um den Bereich der Probe, dem aus der Probe emittiertes und detektiertes Fluoreszenzlicht zugeordnet werden kann, auf den Bereich einer Nullstelle des Stimulationslichts zu begrenzen. Um dabei die Fluoreszenzmarker vor den hohen Intensitäten des Stimulationslichts im Bereich seiner an die Nullstelle angrenzenden Intensitätsmaxima zu schützen, wird die Probe zusätzlich mit Anregungsverhinderungslicht beaufschlagt, dessen Intensitätsverteilung ein lokales Minimum aufweist, das mit der Nullstelle des Stimulationslichts zusammenfällt. Dieses Anregungsverhinderungslicht kann insbesondere Ausschaltlicht sein, das schaltbare Fluoreszenzmarker außerhalb des Minimums des Anregungsverhinderungslichts in einen inaktiven Zustand ausschaltet, in dem sie mit dem Anregungslicht nicht zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar sind. Konkret kann es sich bei den Fluoreszenzmarkern um schaltbare Fluoreszenzfarbstoffe handeln, wie sie bei der hochauflösenden RESOLFT-Fluoreszenzmikroskopie zum Einsatz kommen.
  • Ein Verfahren zum räumlich hochauflösenden Abbilden einer mit Fluoreszenzmarkern markierten Struktur einer Probe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 geht aus der DE 10 2016 117 096 A1 hervor. Auch hierbei handelt dich um ein Verfahren der STED-Fluoreszenzmikroskopie bei dem die Probe neben Anregungslicht mit Stimulationslicht als Fluoreszenzverhinderungslicht beaufschlagt wird, um den Bereich der Probe, dem aus der Probe emittiertes und detektiertes Fluoreszenzlicht zugeordnet werden kann, auf den Bereich einer Nullstelle des Stimulationslichts zu begrenzen. Um dabei die Fluoreszenzmarker vor den hohen Intensitäten des Stimulationslichts im Bereich seiner an die Nullstelle angrenzenden Intensitätsmaxima und den damit verbundenen Gefahren eines photochemischen Bleichens zu schützen, wird die Nullstelle ausschließlich innerhalb eines Nahbereichs in der Probe angeordnet, dessen Abmessungen deutlich kleiner als ein Abstand dieser Intensitätsmaxima sind. Zusätzlich kann die Probe außerhalb des Nahbereichs mit Ausschalt beaufschlagt werden, das schaltbare Fluoreszenzmarker außerhalb des Minimums des Anregungsverhinderungslichts in einen inaktiven Zustand ausschaltet, in dem sie mit dem Anregungslicht nicht zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar sind. Konkret kann es sich auch bei diesen Fluoreszenzmarkern um schaltbare Fluoreszenzfarbstoffe handeln, wie sie in der hochauflösenden RESOLFT-Fluoreszenzmikroskopie zum Einsatz kommen.
  • Aus Balzarotti F, Eilers Y, Gwosch KC, Gynnä AH, Westphal V, Stefani FD, Elf J, Hell SW: Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes, Science; 22. Dezember, 2016 ist ein als MINFLUX-Mikroskopie bezeichnetes Verfahren bekannt. Bei der MINFLUX-Mikroskopie werden die Positionen von vereinzelten Fluoreszenzmarkern in einer Probe dadurch bestimmt, dass eine Nullstelle einer Intensitätsverteilung von Anregungslicht an einem Mittelpunkt eines Messbereichs und an drei gleichmäßig um den Mittelpunkt herum verteilten Positionen am Rand des Messbereichs angeordnet werden und dass an diesen insgesamt vier Positionen der Nullstelle die Intensität des Fluoreszenzlichts von dem jeweiligen Fluoreszenzmarker gemessen wird. Je näher die vier Positionen der Nullstelle beieinander liegen und dennoch zusammen die gesuchte Position des jeweiligen Fluoreszenzmarkers überspannen, desto genauer kann die Position des Fluoreszenzmarkers aus nur wenigen Photonen des Fluoreszenzlichts, die für jede der Positionen der Nullstelle registriert werden, bestimmt werden.
  • Beim sogenannten Drug Screening und anderen Verfahren, mit denen eine Vielzahl von Substanzen danach durchsucht wird, ob sie Substanzen mit speziellen Eigenschaften in Bezug auf andere Substanzen oder biologische Objekte umfassen, werden die Substanzen jeweils mehrfach mit den anderen Substanzen oder mehreren Exemplaren der Objekte in Kontakt gebracht und die darauf erfolgenden Reaktionen der anderen Substanzen oder Objekte beobachtet. Die Zahl der dabei insgesamt zu beobachtenden Reaktionen beträgt typischerweise ein Vielfaches der Anzahl der durchsuchenden Substanzen, weil zum einen mehrere identische Paarungen notwendig sind, um statistisch aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, und weil zum anderen die Substanzen die gewünschten Eigenschaften häufig gegenüber verschiedenen anderen Substanzen oder verschiedenen biologischen Objekten zeigen sollen. Das systematische Erfassen einer solchen großen Anzahl von Reaktionen ist grundsätzlich aufwändig. Vielfach sind Reaktionen auf molekularem Niveau auch nur mit Hilfe von Nachweisreaktionen erfassbar. Das Erfassen einer Reaktionsdynamik ist oftmals gar nicht möglich.
    • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem eine nanoskalige Struktur bezüglich ihrer einzelnen mit den Fluoreszenzmarkern markierten Positionen auch bei höherer Dichte der gleichzeitig in ihrem aktiven Zustand befindlichen Fluoreszenzmarker ähnlich genau wie bei der MINFLUX-Mikroskopie gemessen werden kann. Das Verfahren soll auch für das Messen mehrerer nanoskaliger Strukturen beispielsweise im Rahmen eines Drug Screenings geeignet sein.
    • LÖSUNG
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 15 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum räumlichen Messen mindestens einer nanoskaligen Struktur in einer Probe umfasst die sich teilweise überlappenden Schritte Markieren, Anregen, Registrieren und Bestimmen.
  • Dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine nanoskalige Struktur gemessen wird, bedeutet, dass diese Struktur nanoskalige Abmessungen von maximal 200 nm, häufig von maximal 100 nm und oftmals von maximal 50 nm oder auch nur 30 nm, aufweist.
  • Beim Markieren wird die nanoskalige Struktur an verschiedenen Stellen mit Fluoreszenzmarkern markiert. Das heißt, jede Struktur, die erfindungsgemäß gemessen wird, wird mit mindestens zwei Fluoreszenzmarkern markiert, die an zwei verschiedenen Stellen an der Struktur angebracht werden. Zum möglichst schnellen Messen der Struktur, kann die Zahl der Fluoreszenzmarker, mit denen jede Struktur markiert wird, auch gezielt klein gehalten und beispielsweise auf nicht mehr als 10 beschränkt werden. Wenn mehrere gleiche Strukturen gemessen werden, werden vorzugsweise alle Strukturen an gleichen Stellen mit einer gleichen Zahl von Fluoreszenzmarkern markiert. Die Fluoreszenzmarker, die an verschiedenen Stellen einer Struktur angebracht werden, können gleich oder unterschiedlich sein.
  • Beim Anregen werden die Fluoreszenzmarker, mit denen die zu messende Struktur markiert ist, mit Anregungslicht zur Emission von Fluoreszenzlicht angeregt, und zwar an der jeweiligen Position eines lokalen Minimums einer Intensitätsverteilung von Fluoreszenzverhinderungslicht, das beim Anregen an verschiedenen Positionen in der Probe angeordnet wird. Das lokale Minimum kann eine echte Nullstelle der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts sein, in der die Intensität des Fluoreszenzverhinderungslichts tatsächlich auf null zurück geht. In jedem Fall ist eine nur geringe Restintensität des Fluoreszenzverhinderungslichts in dem lokalen Minimum erwünscht. In allen Richtungen, in denen die Struktur bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen wird, ist das lokale Minimum durch ein Maximum der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts begrenzt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das lokale Minimum zum Anregen gezielt an verschiedenen Positionen in einem Nahbereich in der Probe angeordnet. Die Abmessungen dieses Nahbereichs, womit insbesondere dessen Durchmesser gemeint ist, sind nicht größer als die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts.
  • Beim Registrieren wird das aus der Probe emittierte Fluoreszenzlicht getrennt für die einzelnen Fluoreszenzmarke und für die verschiedenen Positionen des Minimums in der Probe registriert. So kann das registrierte Fluoreszenzlicht jeweils sowohl einem bestimmten Fluoreszenzmarker als auch einer bestimmten Position des Minimums in der Probe zugeordnet werden. Entsprechend muss das getrennte Registrieren des aus der Probe emittierten Fluoreszenzlichts nur soweit gehen, dass diese Zuordnung des registrierten Fluoreszenzlichts jeweils sowohl zu einem bestimmten Fluoreszenzmarker als auch zu einer bestimmten Position des Minimums in der Probe möglich ist.
  • Damit ist es beim Bestimmen möglich, die Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker in der Probe aus dem für den jeweiligen Fluoreszenzmarker für die verschiedenen Positionen des Minimums registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts zu bestimmen.
  • Das Messen einer nur mit wenigen Fluoreszenzmarkern markierten Struktur bedeutet insbesondere ein Vermessen von Abständen zwischen den Positionen der Fluoreszenzmarker an der Struktur.
  • Vorzugsweise weist eine Intensitätsverteilung des Anregungslichts bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Maximum an der jeweiligen Position des lokalen Minimums der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts auf. Dadurch ist das Anregungslicht auf den Bereich des lokalen Minimums der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts konzentriert, auch wenn sein Maximum wegen der Beugungsgrenze größere Abmessungen aufweist, als sie bei dem lokalen Minimum nach unten möglich sind und sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren regelmäßig implementiert werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also das Anregungslicht und das Fluoreszenzverhinderungslicht mit solchen Intensitätsverteilungen überlagert, wie dies auch bei der RESOLFT- und insbesondere der STED-Mikroskopie geschieht. Entsprechend kann es sich bei dem Fluoreszenzverhinderungslicht insbesondere im STED oder Stimulationslicht handeln, dass die mit dem Anregungslicht angeregten Fluoreszenzmarker durch stimulierte Emission wieder abregt, bevor sie Fluoreszenzlicht emittieren können, das registriert werden würde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch zumindest nicht nur ausgenutzt, dass das Fluoreszenzlicht nur von einem Fluoreszenzmarker stammen kann, der sich in dem Bereich des lokalen Minimums befindet. Vielmehr wird auch die Abhängigkeit der Intensität des Fluoreszenzlichts, die für den jeweiligen Fluoreszenzmarker registriert wird, von der Entfernung seiner Position zu der Position des lokalen Minimums ausgenutzt, um dessen Position mit besonders hoher Genauigkeit aus den für mehrere Positionen des Minimums registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts zu bestimmen. Entsprechend kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Minimum an ebenso wenigen Positionen in der Probe positioniert werden und die Auswertung der Intensitäten des registrierten Fluoreszenzlichts kann nach denselben Prinzipien erfolgen wie bei der MINFLUX-Mikroskopie. Als signifikanter Unterschied verbleibt jedoch, dass bei der MINFLUX-Mikroskopie die Intensität des Fluoreszenzlichts von dem jeweiligen Fluoreszenzmarker mit zunehmendem Abstand seiner Position zu der Position des lokalen Minimums zunimmt, während sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit zunehmendem Abstand abnimmt.
  • Soweit das erfindungsgemäße Verfahren Überschneidungen mit der RESOLFT- und insbesondere der STED-Mikroskopie aufweist, so unterscheidet es sich von der RESOLFT- und STED-Mikroskopie aber doch dadurch, dass gezielt die Positionen vereinzelter Fluoreszenzmarker bestimmt werden, wozu die Fluoreszenzmarker vielfach zunächst zu vereinzeln sind, und dass für die Positionsbestimmung die zu wenigen verschiedenen Positionen des lokalen Minimums registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts ausgewertet werden, in der Regel durch Anfitten einer ein lokales Maximum aufweisenden Funktion. Dabei kann die Position des lokalen Maximums der angefitteten Funktion der gesuchten Position des Fluoreszenzmarkers in der Probe gleichgesetzt werden.
  • Gegenüber dem Vorgehen bei der MINFLUX-Mikroskopie weist das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass durch die an die Nullstelle angrenzenden Intensitätsmaxima des Fluoreszenzverhinderungslichts in vorteilhafter Weise verhindert wird, dass von in der Nähe befindlichen anderen Fluoreszenzmarkern emittiertes Fluoreszenzlicht die Positionsbestimmung stört.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Abmessungen des Nahbereichs jedenfalls nicht größer als die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts, und der Nahbereich wird durch das Anordnen des lokalen Minimums der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts an den verschiedenen Stellen innerhalb des Nahbereichs abgetastet, d. h. unterteilt, so dass die Positionen der Fluoreszenzmarker mit einer Ortsauflösung von einem Bruchteil der Abmessungen des Nahbereichs bestimmt werden können. Vorzugsweise sind die Abmessungen des Nahbereichs, in dem das lokale Minimum an verschiedenen Positionen um die Position des jeweiligen Positionierhilfsmittels angeordnet wird, nicht größer als die Hälfte und noch mehr bevorzugt nicht größer als ein Viertel der Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts.
  • Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich herausgestellt, dass das lokale Minimum der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts nicht an vielen verschiedenen Positionen in dem Nahbereich um die Position des jeweiligen Positionierhilfsmittels angeordnet werden muss, um die Position des jeweiligen Fluoreszenzmarkers mit einer verglichen mit den Abmessungen des Nahbereichs sehr hohen Ortsauflösung zu bestimmen. Entsprechend werden die Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker bei dem erfindungsgemäßen Verfahren typischerweise aus den für nicht mehr als 4n, häufig aus den für nicht mehr als 3n und besonders bevorzugt aus den für nicht mehr als 2n verschiedene Positionen des Minimums registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts bestimmt. Dabei ist n die Anzahl der Raumrichtungen, in denen die Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker in der Probe bestimmt werden.
  • Das Bestimmen der Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker in der Probe kann insbesondere ein Anfitten einer ein lokales Maximum aufweisenden räumlichen Funktion an die für den jeweiligen Fluoreszenzmarker für die verschiedenen Positionen des Minimums der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts umfassen.
  • Die das lokales Maximum aufweisende räumlichen Funktion weist idealer Weise denselben Verlauf auf wie die Intensität des Fluoreszenzlichts von dem jeweiligen Fluoreszenzmarker über dessen Abstand zu dem lokalen Minimum der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts. Um die das lokales Maximum aufweisende räumliche Funktion zu bestimmen, kann daher mindestens einer der Fluoreszenzmarker oder ein weiterer gleichartiger Fluoreszenzmarker mit dem Minimum abgetastet werden, wobei das aus der Probe emittierte Fluoreszenzlicht registriert wird. Dabei bedeutet Abtasten, dass das lokale Minimum hierbei in verglichen mit den wenigen Positionen des lokalen Minimums in dem jeweiligen Nahbereich vielen kleinen Schritten verlagert wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens können die Abmessungen des Nahbereichs, in dem das Minimum der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts gezielt angeordnet wird zusätzlich so festgelegt werden, dass sie nicht größer als eine Halbwertsbreite oder die Hälfte oder ein Viertel der Halbwertsbreite einer Verteilung der Intensität des von dem jeweiligen Fluoreszenzmarker emittierten Fluoreszenzlichts über dessen Abstand zu dem lokalen Minimum sein. Diese Verteilung ist genau das, was erhalten wird, wenn der Fluoreszenzmarker wie im vorangehenden Absatz beschrieben mit dem Minimum abgetastet werden, wobei das aus der Probe emittierte Fluoreszenzlicht registriert wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens können die Schritte des Anregens, Registrierens und Bestimmens für mindestens eine erhöhte Intensität des Fluoreszenzverhinderungslichts und vorzugsweise für entsprechend verkleinerte Abmessungen des Nahbereichs wiederholt werden. Der kleinere Nahbereich kann dabei um eine mit der früheren Intensität des Fluoreszenzverhinderungslichts bestimmte Position des jeweiligen Fluoreszenzmarkers herum angeordnet werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung iterativ erhöht werden.
  • Damit das aus der Probe emittierte Fluoreszenzlicht getrennt für die einzelnen Fluoreszenzmarker registriert werden kann, mit denen die jeweilige Struktur markiert ist, muss das von den verschiedenen Fluoreszenzmarkern emittierte Fluoreszenzlicht trennbar sein. Dabei ist es nicht allein möglich, das Fluoreszenzlicht von den verschiedenen Fluoreszenzmarkern danach zu trennen, von wo es aus der Probe emittiert wird, da mehrere Fluoreszenzmarker jeweils an derselben nanoskaligen Struktur angebracht sind und damit näher, in aller Regel viel näher beieinanderliegen als die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts. Daher müssen andere Unterscheidungsmöglichkeiten des Fluoreszenzlichts von den einzelnen Fluoreszenzmarkern vorhanden sein oder geschaffen werden.
  • Wenn die Fluoreszenzmarker, mit denen die nanoskalige Struktur an verschiedenen Stellen markiert wird, aus Fluoreszenzmarkern ausgewählt werden, die sich in ihren spektralen Eigenschaften unterscheiden, können die einzelnen Fluoreszenzmarker an der jeweiligen Struktur selektiv mit Anregungslicht unterschiedlicher Wellenlängen angeregt werden und/oder das von ihnen emittierte Fluoreszenzlicht kann wellenlängenselektiv detektiert werden. Weiterhin können die Fluoreszenzmarker aus solchen ausgewählt werden, die einen aktiven Zustand, in dem sie mit Anregungslicht zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar sind, und einen inaktiven Zustand, in dem sie zumindest mit demselben Anregungslicht nicht zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar sind, aufweisen und die zwischen ihrem aktiven und ihrem inaktiven Zustand überführbar sind. Dann kann selektiv oder auf Übergangswahrscheinlichkeiten basierend jeweils nur ein Fluoreszenzmarker in seinem aktiven Zustand belassen oder in seinen aktiven Zustand gebracht werden, so dass das registrierte Fluoreszenzlicht nach Anregung mit dem Anregungslicht nur von ihm stammen kann. Bei der Vorgehensweise auf Basis von Übergangswahrscheinlichkeiten kann es zwar sein, dass wiederholt nacheinander derselbe Fluoreszenzmarker in den aktiven Zustand gelangt. Dies wird jedoch mit wachsender Zahl der Wiederholungen zunehmend unwahrscheinlicher.
  • Konkret können die Fluoreszenzmarker daher aus solchen ausgewählt werden, die sich in ihrem Anregungsspektrum und/oder ihrem Emissionsspektrum unterscheiden oder die mit Schaltlicht aus ihrem aktiven Zustand in ihren inaktiven Zustand (oder umgekehrt) schaltbar sind. Das Schaltlicht kann dabei grundsätzlich dieselbe Wellenlänge wie das Anregungslicht oder das Fluoreszenzverhinderungslicht aufweisen.
  • Bei der praktischen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der jeweilige Nahbereich mit anderen Mitteln zur Relativverlagerung des Minimums der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts gegenüber der Probe angefahren werden als die Positionen des Minimums innerhalb des Nahbereichs. Dies ermöglicht es, für die Feinpositionierung des Minimums innerhalb des Nahbereichs Mittel einzusetzen, die zwar zur präzisen Positionierung des Minimums in der Probe geeignet sind, aber nicht zur Verlagerung des Minimums über größere Entfernungen. Diese größeren Entfernungen können dann mit den Mitteln zum Anfahren des Nahbereichs überbrückt werden. Konkret können die Mittel zum Anfahren des jeweiligen Nahbereichs die gesamte Probe gegenüber einem Objektiv verlagern, das das Anregungslicht in die Probe fokussiert, während das Minimum innerhalb des jeweiligen Nahbereichs mit gegenüber dem Objektiv arbeitenden Strahlablenkmitteln verlagert wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Struktur an ein Positionierhilfsmittel gekoppelt werde, dessen Position in der Probe bekannt ist und/oder dessen Position in der Probe nach dem Koppeln aus von dem Positionierhilfsmittel reflektiertem Licht bestimmt wird. Dann kann der Nahbereich um die bekannte Position des Positionierhilfsmittels herum angeordnet werden. Damit wird direkt sichergestellt, dass die an der Struktur anhängenden Fluoreszenzmarker in den Nahbereich fallen.
  • Vorzugsweise liegt bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Position des Positionierhilfsmittel in der Probe und damit relativ zu Fixpunkten der Probe fest. So kann der Nahbereich bzw. können die Positionen des Minimums innerhalb des Nahbereichs relativ zu den Fixpunkten der Probe angefahren werden.
  • Insbesondere können bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere zu messende nanoskalige Strukturen an jeweils ein Positionierhilfsmittel gekoppelt werden.
  • Bei den Positionierhilfsmitteln handelt es sich um solche, deren Positionen in der Probe bereits bekannt sind, weil sie beispielsweise bei der Herstellung oder Vorbereitung der Probe gezielt an diesen Positionen angeordnet wurden und/oder weil ihre in der Probe festliegenden Positionen bereits vor dem Koppeln auf irgendeine Weise bestimmt wurden. Alternativ oder zusätzlich können die Positionen der Positionierhilfsmittel in der Probe fortlaufend und damit auch noch nach dem Koppeln aus Licht bestimmt werden, das von den Positionierhilfsmitteln reflektiert wird. Mit ihren oben angegebenen maximalen Abmessungen erstrecken sich die nanoskaligen Strukturen von der Position des jeweiligen Positionierhilfsmittels, bei endseitiger Kopplung über nicht wesentlich mehr als 200 nm, 100 nm, 50 nm oder 30 nm und bei bevorzugter zentraler Ankopplung über nicht wesentlich mehr als 100 nm, 50 nm, 25 nm oder 15 nm.
  • Auch wenn die Positionen der einzelnen Positionierungshilfsmittel in der Probe fest und grundsätzlich bekannt sind, kann mithilfe von Licht, das von den Positionierungshilfsmitteln reflektiert wird, das Anfahren dieser Positionen bzw. der sich darum erstreckenden Nahbereiche mit dem lokalen Minimum unterstützt oder sogar vollständig gesteuert werden.
  • Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Nahbereich um die Position des Positionierhilfsmittels mit dem Minimum der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts gezielt angefahren werden, weil die Position des Positionierhilfsmittels von vornherein bekannt ist oder bestimmt wird, ohne dass es hierfür der Emission von Photonen des Fluoreszenzlichts von den Fluoreszenzmarkern bedarf. Das Messen der jeweiligen nanoskaligen Struktur mit Hilfe der Fluoreszenzmarker erfolgt bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens also unter Ausnutzung einer Vorkenntnis über die Position der nanoskaligen Struktur bzw. der daran angeordneten einzelnen Fluoreszenzmarker. Aufgrund des Ankoppelns der interessierenden Struktur an das Positionierhilfsmittel befinden sich die Struktur und damit auch die an ihr anhängenden Fluoreszenzmarker in der unmittelbaren Nähe eines Positionierhilfsmittels. Beim Anfahren des Nahbereichs um dieses Positionierhilfsmittel mit dem Minimum der Lichtintensitätsverteilung des Anregungslichts oder des weiteren Lichts liegt dieses Minimum daher schon nahe an dem jeweiligen Fluoreszenzmarker. Je genauer die Position der Positionierhilfsmittel bekannt ist, desto kleiner kann der Nahbereich gewählt werden, in dem das Minimum der Lichtintensitätsverteilung des Anregungslichts oder des weiteren Lichts an verschiedenen Positionen angeordnet wird, um die Position des jeweiligen Fluoreszenzmarkers zu bestimmen.
  • Bei der praktischen Umsetzung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Positionierhilfsmittel in der Probe festliegende Ankoppelplätze für die zu messenden nanoskaligen Strukturen sein, die in einem vordefinierten Muster in der Probe angeordnet sein können. Insbesondere können die Strukturen über eine Immunreaktion an die Ankoppelplätze angekoppelt werden. Dabei kann vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst ein zusätzlicher Fluoreszenzmarker an die Ankoppelplätze angekoppelt werden, dessen Fluoreszenzlicht zur Bestimmung der Positionen der Ankoppelplätze benutzt wird. Dabei können sehr viele Photonen des Fluoreszenzlichts und dem weiteren Fluoreszenzmarker genutzt werden, um die Positionen der Ankoppelplätze mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen. Anschließend können diese weiteren Fluoreszenzmarker wieder von den Ankoppelplätzen abgelöst werden, deren Positionen dann bekannt sind, wenn beim anschließenden Durchführen der hier erläuterten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die nanoskaligen Strukturen angekoppelt werden.
  • Wenn hingegen die nanoskaligen Strukturen an die Positionierhilfsmittel angekoppelt werden, bevor deren Positionen bekannt sind, sind Möglichkeiten bereitzustellen, die Positionen der Positionierhilfsmittel zu bestimmen, möglichst ohne hierfür auf Fluoreszenzlicht von den Fluoreszenzmarkern an den nanoskaligen Strukturen zurück greifen zu müssen. Zu diesem Zweck können die Positionierhilfsmittel Gold- oder Silberpartikel oder Quantum Dots aufweisen, die Licht reflektieren, mit dessen Hilfe die Positionen der Positionierhilfsmittel mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mehrere zu messende nanoskalige Strukturen gleich oder umfassen zumindest mehrere gleiche Strukturen. Dabei können die gleichen Strukturen in verschiedenen Bereichen der Probe verschiedenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, um die Einflüsse dieser Umgebungsbedingungen auf die nanoskaligen Strukturen zu messen. Insbesondere kann der resultierende räumliche Abstand oder die Relativanordnung der Fluoreszenzmarker an den nanoskaligen Strukturen gemessen werden.
  • Darüber hinaus können die Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker in der Probe für mindestens zwei verschiedene Zeitpunkte aus den für diese mindestens zwei Zeitpunkte registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts bestimmt werden, um beispielsweise Reaktionen der Strukturen auf geänderte Umgebungsbedingungen oder auch darüber hinaus eine Dynamik dieser Reaktionen zu messen. Dazu können die Strukturen zu den mindestens zwei Zeitpunkten verschiedenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden oder die mindestens zwei Zeitpunkte können auf eine solche Änderung der Umgebungsbedingungen folgen.
  • Die zuletzt beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht insbesondere eine effiziente Durchführung von Drug Screenings, bei denen die geänderten Umgebungsbedingungen durch Zugabe einer der zu durchsuchenden Substanzen eingestellt werden. Die Reaktion der Struktur auf die Zugabe der jeweiligen Substanz wird durch wiederholtes erfindungsgemäßes Messen der jeweiligen nanoskaligen Struktur direkt erfasst. Es bedarf hierzu keiner Durchführung von Nachweisreaktionen an der nanoskaligen Struktur. Zudem sind die bei einem solchen erfindungsgemäßen Drug Screening verbrauchten Mengen der zu durchsuchenden Substanzen winzig klein. Theoretisch reicht die Zugabe eines einzigen Moleküls jeder der Substanzen zu einer der nanoskaligen Strukturen aus. Entsprechend können auch Substanzen, die nur in kleinen Mengen zur Verfügung stehen, bei einem erfindungsgemäßen Drug Screening untersucht werden.
  • Vorteilhafter Weise werden die Strukturen durch ihr Koppeln an die Positionierhilfsmittel nicht nur in eine bekannte oder ohne Belastung der Fluoreszenzmarker bestimmbare Position gebracht, sondern die Strukturen werden zugleich definiert ausgerichtet, d. h. beispielsweise parallel zu einer Haupterstreckungsebene der jeweiligen Probe orientiert. Diese Orientierung verfolgt insbesondere den Zweck, die Strukturen so gegenüber der Probe zu orientieren, dass Abstände der Fluoreszenzmarker bzw. der verschiedenen Stellen, an denen die Strukturen mit den Fluoreszenzmarkern markiert sind, in oder parallel zu der Richtung oder Ebene verlaufen, in der das lokale Minimum an verschiedenen Positionen in der Probe angeordnet wird. Damit werden diese Abstände und auch Änderungen dieser Abstände durch das Bestimmen der Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker besonders leicht erfassbar. Auch wenn eine solche zielgerichtete Orientierung der an die Positionierhilfsmittel gekoppelten Strukturen nicht möglich ist, kann oftmals erreicht werden, dass die an die Positionierhilfsmittel angekoppelten Strukturen eine feste Orientierung in der Probe aufweisen. Dann kann nach einem erstmaligen Bestimmen der Positionen der Fluoreszenzmarker überprüft werden, welche der Strukturen so orientiert sind, dass die Abstände ihrer mit den Fluoreszenzmarkern markierten Bereiche in der Haupterstreckungsebene der Probe verlaufen. Bei wiederholtem Durchführen des Bestimmens der Positionen der Fluoreszenzmarker, um beispielsweise Reaktionen der Strukturen auf veränderte Umgebungsbedingungen zu erfassen, kann das erfindungsgemäße Verfahren danach auf die Strukturen beschränkt werden, die die gewünschte Orientierung aufweisen, während andere Strukturen, die diese Orientierung nicht aufweisen, nicht weiter berücksichtigt werden. Dies ist insbesondere sinnvoll, um schnell aussagekräftige Informationen über Reaktionen der Strukturen auf geänderte Umgebungsbedingungen zu erfassen.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Positionen der Positionierhilfsmittel in Mindestabständen zueinander angeordnet werden, die mindestens doppelt so groß wie die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und des Fluoreszenzlichts sind. Damit kann das Fluoreszenzlicht aus der Probe den einzelnen Nahbereichen und damit den einzelnen zu messenden nanoskaligen Strukturen mit optischen Mitteln getrennt zugeordnet werden. Wenn die Positionen der Positionierhilfsmittel willkürlich festgelegt werden, indem sie beispielsweise in einem vordefinierten Muster in der Probe angeordnet werden, kann der genannte Mindestabstand von der doppelten Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts direkt eingehalten werden. Wenn jedoch die Positionierhilfsmittel zufällig in der Probe verteilt werden, muss mit einer geringen Dichte der Positionierhilfsmittel dafür Sorge getragen werden, dass ihre Abstände nicht kleiner als die doppelte Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts sind. Dies erfordert in aller Regel eine Dichte die deutlich kleiner als der Kehrwert der doppelten Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts ist. Alternativ oder zusätzlich können die Positionierhilfsmittel auf die zwischen ihnen vorliegenden Abstände überprüft werden. Danach können die Positionierhilfsmittel, deren Positionen als zu dicht beieinanderliegend erkannt wurden, und die an sie angekoppelten nanoskaligen Strukturen bei der weiteren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unberücksichtigt bleiben.
  • Wenn die Positionen der Positionierhilfsmittel in einem vordefinierten Muster in der Probe angeordnet werden, kann das vordefinierte Muster insbesondere aus periodischen und noch spezieller aus hexagonalen und quadratischen Mustern ausgewählt werden. Dann sind auch die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzufahrenden Nahbereiche in einem solchen periodischen, hexagonalen oder quadratischen Muster angeordnet. In einem hexagonalen Muster ist die Dichte der Positionierhilfsmittel, die die Mindestabstände von der doppelten Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts einhalten, maximiert.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das aus der WO 2014/108455 A1 bekannte Konzept, die aktuell nicht gemessenen Fluoreszenzmarker durch Schalten in einen inaktiven Zustand vor den hohen Intensitäten im Bereich der an das lokale Minimum angrenzenden Maxima zu schützen, in abgewandelter Form angewandt. Konkret wird vor dem Anordnen des lokalen Minimums in dem jeweiligen Nahbereich zusätzliches Ausschaltlicht mit einer solchen Intensitätsverteilung auf die Probe gerichtet, dass es die schaltbaren Fluoreszenzmarker möglichst nicht in dem Nahbereich, aber in an den Nahbereich angrenzenden Teilbereichen der Probe in einen inaktiven Zustand ausschaltet. Damit werden die Fluoreszenzmarker dort in den inaktiven Zustand geschaltet, wo die Maxima des Anregungslichts bzw. des weiteren Lichts auftreten und wo ohne diese Schutzmaßnahme die Fluoreszenzmarker durch die hohen Intensitäten des Anregungslichts bzw. des weiteren Lichts belastet würden und von wo sie nur die aktuelle Messung beeinträchtigendes Fluoreszenzlicht emittieren würden. Die absolute Dichte der nanoskaligen Strukturen in der Probe kann dann besonders hoch sein, ohne dass das Messen jeder nanoskaligen Struktur, die ihr benachbarten nanoskaligen Strukturen photochemisch belasten muss oder Fluoreszenzlicht von den benachbarten nanoskaligen Strukturen die aktuelle Messung stört.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die von dem bekannten PAINT (Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography)-Konzept inspiriert ist, werden die Fluoreszenzmarker aus Fluoreszenzmarkern ausgewählt, die in der Probe beweglich sind und die sich einzeln an verschiedenen Stellen an die Struktur anlagern. Diese Fluoreszenzmarker werden der Probe in solcher Konzentration und/oder in einer solchen räumlichen Verteilung zugesetzt, dass sie sich nacheinander einzeln an die Struktur anlagern. Wenn sie an die Struktur angelagert ist, wird ihre Position erfindungsgemäß bestimmt. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also dieselbe Vereinzelung der Fluoreszenzmarker wie bei dem PAINT-Konzept angewandt. Entsprechend können auch alle für das PAINT-Konzept bekannten Varianten dieser Vereinzelung bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umgesetzt werden. So können die Fluoreszenzmarker erst bei ihrem Anlagern an die Struktur aus einem inaktiven Zustand, in dem sie mit dem Anregungslicht nicht zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar sind, in einen aktiven Zustand, in dem sie mit dem Anregungslicht zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar sind, überführt werden. Alternativ oder zusätzlich lagern sich die Fluoreszenzmarker nur temporär an die Struktur an, und/oder sie werden bei längerem Einwirken des Anregungslichts und/oder des Fluoreszenzverhinderungslichts oder mittels weiterem Licht anhaltend, d. h. zumindest so lange in einen Dunkelzustand überführt, dass sie das weitere Messen der jeweiligen nanoskaligen Struktur nicht stören.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker zusätzlich durch MINFLUX-Mikroskopie bestimmt. Dies bedeutet, dass zusätzlich die folgenden Schritte durchgeführt werden: Anregen der Fluoreszenzmarker mit Anregungslicht zur Emission von Fluoreszenzlicht, wobei die Intensitätsverteilung des Anregungslichts das lokale Minimum aufweist, das an verschiedenen Positionen in der Probe angeordnet wird, Registrieren des aus der Probe emittierten Fluoreszenzlichts getrennt für die einzelnen Fluoreszenzmarker und für die verschiedenen Positionen des Minimums der Intensitätsverteilung des Anregungslichts, und Bestimmen der Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker in der Probe aus den für den jeweiligen Fluoreszenzmarker für die verschiedenen Positionen des Minimums der Intensitätsverteilung des Anregungslichts registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts.
  • In den zusätzlichen Schritten dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können mit dem Minimum der Intensitätsverteilung des Anregungslichts dieselben Positionen in dem Nahbereich angefahren werden wie zuvor oder danach mit dem Minimum der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts. Dies ist jedoch nur eine Option.
  • In den zusätzlichen Schritten dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die vereinzelten Fluoreszenzmarker nur mit einer minimalen Lichtmenge beaufschlagt und dadurch nur minimal photochemisch belastet.
  • Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Intensitätsverteilung des Anregungslichts das lokale Minimum aufweist, ist das lokale Extremum einer räumlichen Funktion, die zum Bestimmen der Position des jeweiligen Fluoreszenzmarkers an die Intensitäten des von ihm stammenden Fluoreszenzlichts angefittet wird, ebenfalls ein lokales Minimum.
  • Weiter können bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zueinander komplementäre Intensitätsverläufe des von den einzelnen Fluoreszenzmarkern aus der Probe emittierten Fluoreszenzlichts, die sich einerseits über den verschiedenen Positionen des Minimums der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts und andererseits über den verschiedenen Positionen des Minimums der Intensitätsverteilung des Anregungslichts in der Probe ergeben, beim Bestimmen der Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker in der Probe miteinander abgeglichen werden. Durch die gleichzeitige Betrachtung der komplementäre Intensitätsverläufe kann die Position des jeweiligen Fluoreszenzmarkers in der Probe mit höherer Genauigkeit bestimmt werden als auf Basis der beiden Intensitätsverläufe, wenn diese nur getrennt ausgewertet werden.
  • Weiterhin können Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker in der Probe, die aus den Intensitäten des Fluoreszenzlichts bestimmt werden, die für den jeweiligen Fluoreszenzmarker für die verschiedenen Positionen des Minimums der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts registriert wurden, bei der Festlegung der Positionen berücksichtigt werden, an denen anschließend das andere Minimums der Intensitätsverteilung des Anregungslichts angeordnet wird, und umgekehrt. Bei der iterativen Bestimmung der Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker mit zunehmender Genauigkeit kann also schrittweise zwischen einer STED- und einer MINFLUX-Konstellation gewechselt werden.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist beispielsweise folgende Bestandteile auf:
    • einen Probenhalter für die Probe,
    • ein auf den Probenhalter gerichtetes Objektiv,
    • eine Anregungslicht und Fluoreszenzverhinderungslicht derart in die Probe einkoppelnde Lichtquelle, das eine Intensitätsverteilung des mit dem Objektiv fokussierten Fluoreszenzverhinderungslichts ein lokales Minimum aufweist,
    • eine Abtasteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Position des Minimums gegenüber dem Probenhalter zu verlagern,
    • einen Detektor, der dazu ausgebildet ist, aus der Probe emittiertes Fluoreszenzlicht für die verschiedenen Positionen des Minimums getrennt zu registrieren,
    • eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, Positionen von Fluoreszenzmarkern in der Probe aus dem die verschiedenen Positionen des Minimums registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts zu bestimmen, und
    • eine Steuerung zur automatischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
  • Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von zwei Fluoreszenzmarkern die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau zwei Fluoreszenzmarker oder mehr Fluoreszenzmarker verwendet werden. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren oder die jeweilige Vorrichtung aufweist.
  • Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
    • Fig. 1
    ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    Fig. 2
    zeigt schematisch das Ankoppeln einer nanoskaligen Struktur an ein Positionierhilfsmittel und die Reaktion der nanoskaligen Struktur auf eine zugegebene Substanz.
    Fig. 3
    erläutert die Positionierung eines Minimums einer Intensitätsverteilung von Fluoreszenzverhinderungslicht gegenüber dem Positionierhilfsmittel bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    Fig. 4
    illustriert die Intensitätsverteilung des Anregungslichts bei zusätzlichen Schritten einer MINFLUX-Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Draufsicht und in einem Schnitt durch das Minimum.
    Fig. 5
    zeigt eine Probe mit in einem quadratischen Muster angeordneten Positionierhilfsmittel.
    Fig. 6
    zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
    Fig. 7
    illustriert die Intensitätsverteilung des Anregungslichts und von Fluoreszenzverhinderungslicht bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Schnitt durch das Minimum.
    FIGURENBESCHREIBUNG
  • Das in Fig. 1 in einem Ablaufdiagramm dargestellte erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit einem Markieren 1 von nanoskaligen Strukturen an verschiedenen Stellen mit Fluoreszenzmarkern. Das heißt, jede der nanoskaligen Strukturen wird an mindestens zwei ausgewählten und bei gleichen Strukturen auch gleichen Stellen mit jeweils einem Fluoreszenzmarker markiert. Die an den verschiedenen Stellen der jeweiligen Struktur angebrachten Fluoreszenzmarker können dabei identisch sein, soweit sie einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen, zwischen denen sie überführbar sind, oder sie unterscheiden sich in ihren spektralen Eigenschaften bezüglich des Anregungslichts, mit dem sie zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar sind, und/oder des von ihnen infolge der Anregung emittierten Fluoreszenzlichts.
  • Ein Koppeln 2 der nanoskaligen Strukturen an Positionierhilfsmittel ist in Fig. 1 als nachfolgender Schritt zu dem Markieren 1 gezeigt. Das Koppeln 2 der Strukturen an die Positionierhilfsmittel kann aber dem Markieren 1 der Strukturen auch vorausgehen. Weiter ist es möglich, dass das Markieren 1 und das Koppeln 2 gleichzeitig erfolgen. In jedem Fall liegen nach dem Markieren 1 und dem Koppeln 2 jeweils mehrfach markierte nanoskalige Strukturen vor, die einzeln an einzelne Positionierhilfsmittel gekoppelt sind. Die Positionen der Positionierhilfsmittel in einer Probe sind dabei entweder bekannt, was impliziert, dass sie fest sind, und/oder sie sind aus Licht, das von den Positionierhilfsmitteln reflektiert wird, weil sie beispielsweise Gold- oder Silberpartikel oder Quantum Dots umfassen, bestimmbar. Dieses Bestimmen der Positionen der Positionierhilfsmittel kann somit ohne Beanspruchung der Fluoreszenzmarker durch Anregung und Emission von Fluoreszenzlicht erfolgen. So lange ihre aktuellen Positionen immer bestimmbar sind, ist es auch möglich, dass die Positionierhilfsmittel in der Probe nicht fest liegen, sondern sich bewegen können. Bei nicht festen Positionen der Positionierhilfsmittel in der Probe ist es jedoch schwieriger einzuhalten, dass Abstände der Positionierhilfsmittel in der Probe nicht kleiner werden als die doppelte Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und des Fluoreszenzlichts, um das von dem Fluoreszenzmarkern an den einzelnen Strukturen stammende Fluoreszenzlicht jeweils sicher einem bestimmten Positionierhilfsmittel und damit der daran gekoppelten Struktur zuordnen zu können.
  • Bei einem Anregen 3 der Fluoreszenzmarker mit Anregungslicht zur Emission von Fluoreszenzlicht unter Anordnen eines lokalen Minimums einer Intensitätsverteilung von Fluoreszenzverhinderungslicht an verschiedenen Positionen in einem Nahbereich des jeweiligen Positionierhilfsmittels kann eine Intensitätsverteilung des Anregungslichts ein Maximum an dem jeweiligen Ort des lokalen Minimums aufweisen. Wenn das lokale Minimum der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts mit dem Maximum der Intensitätsverteilung des Anregungslichts in dem Nahbereich des jeweiligen Positionierhilfsmittels angeordnet wird, emittieren die in ihrem aktiven Zustand befindlichen Fluoreszenzmarker, die sich mit dem Anregungslicht anregen lassen, Fluoreszenzlicht. Dabei ist die Intensität des Fluoreszenzlichts von dem Abstand des jeweiligen Fluoreszenzmarkers zu dem lokalen Minimum der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts abhängig. Wenn ein Registrieren 4 des emittierten Fluoreszenzlichts so erfolgt, dass das Fluoreszenzlicht für jeden der Fluoreszenzmarker separat registriert wird, weil das Fluoreszenzlicht von verschiedenen Fluoreszenzmarkern aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen trennbar ist und/oder jeweils nur einer der Fluoreszenzmarker aktiv ist, ist ein Bestimmen 5 der Position der einzelnen Fluoreszenzmarker aus den Intensitäten des für die verschiedenen Positionen des Minimums registrierten Fluoreszenzlichts von dem jeweiligen Fluoreszenzmarker möglich. Dabei hängt die Genauigkeit dieses Bestimmens 5 bei gleicher Anzahl der registrierten Photonen des Fluoreszenzlichts davon ab, wie dicht die Positionen des lokalen Minimums bereits an der Position des Fluoreszenzmarkers liegen. Indem die Positionen des lokalen Minimums beim Anregen 3 in einem Nahbereich des jeweiligen Positionierhilfsmittels angeordnet werden, in dem sich auch die angekoppelte Struktur und die daran angebrachten Fluoreszenzmarker befinden, hängt die relative Genauigkeit beim Bestimmen 5 der Positionen der Fluoreszenzmarker von der Größe dieses Nahbereichs ab.
  • Soweit die Position des Positionierhilfsmittels sehr genau bekannt ist, beispielsweise mindestens auf ± 40 nm oder ± 20 nm oder ± 10 nm oder ± 5 nm, und das Koppeln 2 der Strukturen an die Positionierhilfsmittel so erfolgt, dass diese einen maximalen Abstand in derselben Größenordnung zu der Position des Positionierhilfsmittels aufweisen, kann der Nahbereich des jeweiligen Positionierhilfsmittel, in dem die Position des Minimums angeordnet werden, entsprechend klein gehalten werden. Wenn die Positionen aller Fluoreszenzmarker, mit denen die jeweilige Struktur markiert ist, bestimmt sind, wobei es insbesondere um relative Positionen der Fluoreszenzmarker zueinander, d. h. deren Abstände geht, ist die jeweilige Struktur ge- oder vermessen. Dieses Messen oder Vermessen kann nach oder während eines Änderns 6 von Umgebungsbedingungen der Strukturen wiederholt werden. Dabei können die Umgebungsbedingungen aller Strukturen in der Probe in gleicher Weise geändert werden. Auf diese Weise können beispielsweise die Reaktionen unterschiedlicher nanoskaliger Strukturen auf dieselbe Änderung der Umgebungsbedingungen erfasst werden. Alternativ kann das Ändern 6 der Umgebungsbedingungen in unterschiedlichen Bereichen der Probe und damit beispielsweise für gleiche Strukturen in unterschiedlicher Weise erfolgen. Beispielsweise können in verschiedenen Bereichen der Probe verschiedene Substanzen zu gleichen Strukturen hinzugefügt werden, um die unterschiedlichen Reaktion der Strukturen auf diese Substanzen zu erfassen. Dies kann beispielsweise im Rahmen eines Drug Screenings erfolgen. Unabhängig davon, ob die Strukturen in der Probe gleich oder verschieden sind, erfolgt auf das Ändern 6 der Umgebungsbedingungen der Strukturen ein erneutes Messen oder Vermessen der Strukturen durch Ausführung der Schritte Anregen 3, Registrieren 4 und Bestimmen 5.
  • Fig. 2 (a) zeigt sehr schematisch ein Beispiel für eine nanoskalige Struktur 7, die an ihren beiden Enden mit jeweils einem Fluoreszenzmarker 8 bzw. 9 markiert ist. Die Fluoreszenzmarker 8 und 9 sind hier unterschiedlich dargestellt. Wie bereits ausgeführt, kann es sich jedoch auch um gleiche Fluoreszenzmarker handeln, wenn diese zwischen einem aktiven und einem inaktiven Zustand überführbar sind. Dies kann beispielsweise mit zusätzlichem Schaltlicht erfolgen, dass die Fluoreszenzmarker 8 und 9 nach Übergangswahrscheinlichkeiten in ihren aktiven oder inaktiven Zustand überführt, so dass durch wiederholtes Aufbringen des Schaltlichts Schaltzustände erreicht werden, in denen einmal nur der eine Fluoreszenzmarker 8 und einmal nur der andere Fluoreszenzmarker 9 aktiv ist. Weiter ist an der Struktur 7 eine zentrale Ankoppelstelle 10 ausgebildet. Die Ankoppelstelle 10 ist zur Ankopplung an einen entsprechenden Ankoppelplatz 11 eines Positionierhilfsmittels 12 ausgebildet.
  • Fig. 2 (b) zeigt die Ankoppelstelle 10 angekoppelt an den Ankoppelplatz 11 eines Positionierhilfsmittels 12, das hier nur aus dem Ankoppelplatz 11 besteht, der gegenüber der restlichen Probe 13 festliegt.
  • Fig. 2 (c) zeigt hingegen die Struktur 7 über die Ankoppelstelle 10 angekoppelt an ein Positionierhilfsmittel 12, das neben dem Ankoppelplatz 11 einen Goldpartikel 14 umfasst. Mithilfe von Licht, das von dem Goldpartikel 14 reflektiert wird, ist auch eine sich ändernde Position des Positionierhilfsmittels 12 in der jeweiligen Probe erfassbar, ohne dass die Fluoreszenzmarker 8 und 9 dabei durch Anregen mit Anregungslicht und Emittieren von Fluoreszenzlicht beansprucht werden.
  • Fig. 2 (d) zeigt die an das Positionierhilfsmittel 12 gemäß Fig. 2 (c) angekoppelte Struktur 7, die infolge des Einwirkens einer Substanz 15 als Beispiel für geänderte Umgebungsbedingungen der Struktur 7 verändert ist. Konkret besteht die Veränderung in einem Zusammenfalten der Enden der Struktur 7, so dass sich der Abstand der dort angebrachten Fluoreszenzmarker 8 und 9 verringert. So kann die Reaktion der Struktur 7 auf die Substanz 15 durch Vermessen des Abstands der Fluoreszenzmarker 8 und 9 direkt erfasst werden.
  • Fig. 3 zeigt die Struktur 7 mit dem Positionierhilfsmittel 12 aus einer Blickrichtung orthogonal zu dem Abstand ihrer beiden Enden, wobei neben dem verringerten Abstand 16 gemäß Fig.2 (d) auch der Ausgangsabstand 17 bei gestreckter Struktur 7 gemäß den Fig. 2 (c) eingezeichnet ist. Weiter ist in Fig. 3 ein Nahbereich 18 um eine bekannte oder zuvor bestimmte Position 19 des Positionierhilfsmittels 12 dargestellt. In diesem Nahbereich wird das lokale Minimum der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts beim Anregen des jeweiligen aktiven Fluoreszenzmarkers 8, 9 an vier verschiedene Positionen 20 bis 23 angeordnet, wobei die Position 20 mit der Position 19 des Positionierhilfsmittels 12 zusammenfällt und die Position 21 bis 23 auf einem um die Position 19, 20 verlaufenden Kreisbogen äquidistant angeordnet sind. Zu jeder Position 20 bis 23 wird das Fluoreszenzlicht von dem jeweiligen Fluoreszenzmarker 8, 9 separat bestimmt. Dann lässt sich aus den Intensitäten des registrierten Fluoreszenzlichts die Position des jeweiligen Fluoreszenzmarkers 8, 9 in dem Nahbereich sehr genau bestimmen. Die Genauigkeit der Bestimmung hängt von der Größe des Nahbereichs, d. h. seinen Abmessungen, insbesondere in Form seines Durchmessers ab, der gegenüber Fig. 3 auch halbiert sein könnte. Dies würde jedoch auch voraussetzen, dass die Position 19 des Positionierhilfsmittels 12 mit extremer Genauigkeit bekannt wäre und tatsächlich immer mit dem Zentrum der Struktur 7 zusammenfällt. Um hier auftretende Ungenauigkeiten und Varianten abzudecken, ist der Nahbereich 18 größer zu wählen, als dies unter idealen Randbedingungen erforderlich erscheint.
  • Fig. 4 zeigt eine Intensitätsverteilung 24 von Anregungslicht 25 mit einem zentralen lokalen Minimum 26 in einer Draufsicht (a) mit der Blickrichtung von Fig. 3 und einem dazu senkrecht durch das lokale Minimum 26 verlaufenden Schnitt (b). Das lokale Minimum 26 ist allseitig von einem Maximum 27 der Intensitätsverteilung umschlossen. In dem lokalen Minimum 26 geht die Intensität des Anregungslichts 25 idealerweise auf null zurück. Mit zunehmenden Abstand zu dem Minimum 26 steigt die Intensität I zunächst etwa quadratisch an, bis sie in dem ringförmigen Maximum 27 ihren Maximalwert erreicht. Bei den zusätzlichen Schritten einer MINFLUX-Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von dieser Intensitätsverteilung 24 der Bereich unmittelbar um das Minimum 26 genutzt, in dem die Intensität I quadratisch ansteigt, so dass die mit der Intensität I korrelierte Intensität des von dem jeweiligen Fluoreszenzmarker emittierten und registrierten Fluoreszenzlichts einen eindeutigen Rückschluss auf die Entfernung des Fluoreszenzmarkers von dem Minimum 26 zulässt. Aus mehreren solcher Entfernungen, die für mehrere Positionen des Minimums 26 in dem jeweiligen Nahbereich bestimmt werden, lässt sich daher die genaue Position des Fluoreszenzmarkers beispielsweise durch Triangulation aber noch besser durch Anfitten einer ein lokales Minimum aufweisenden Funktion an die Intensitäten des zu den einzelnen Positionen des Minimums registrierten Fluoreszenzlichts bestimmen.
  • Die das lokale Minimum aufweisende räumliche Funktion, die bei den zusätzlichen Schritten der MINFLUX-Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens an die Intensitäten des zu den einzelnen Positionen des Minimums registrierten Fluoreszenzlichts anzufitten ist, beschreibt die Abhängigkeit der Intensität des Fluoreszenzlichts von dem Abstand des jeweiligen Fluoreszenzmarkers zu dem lokalen Minimum 26. Entsprechend kann diese Funktion durch Abtasten desselben oder eines gleichartigen Fluoreszenzmarkers oder auch eines Licht reflektierenden Positionierhilfsmittels gleichen Wirkungsquerschnitts bestimmt werden. Dabei bedeutet Abtasten, dass das lokale Minimum 26 hierbei tatsächlich in kleinen Schritten verlagert wird, beispielsweise in mindestens 5x5 Schritten oder 10x10 Schritten, um den Verlauf einer zweidimensionalen Funktion zu bestimmen.
  • Fig. 5 zeigt eine Probe 13 zur Durchführung einer Drug Screening Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Probe 13 weist an ihrem Außenumfang 28 Fixpunkte 29 für das Positionieren der Probe 13 auf einem Probenhalter auf. Gegenüber den Fixpunkten 29 ist eine Vielzahl von Positionierhilfsmitteln 12 bezüglich deren Positionen 19 in einem quadratischen Muster angeordnet. Jedes Positionierhilfsmittel 12 befindet sich dabei in einer Vertiefung oder einem sogenannten Loch 30 der Probe 13. Die entsprechend in Zeilen 31 und Spalten 32 angeordneten Löchern 30 erlauben das Zugeben einer Substanz selektiv zu einer an das Positionierhilfsmittel 12 in dem jeweiligen Loch 30 in der Probe 13 angekoppelten Struktur. So können Reaktionen gleicher oder ungleicher Strukturen auf verschiedene Substanzen erfasst werden. Dazu werden die Strukturen vor und nach und evtl. auch während des Zugebens der Substanzen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vermessen, wobei die Positionen des Minimums 26 der Intensitätsverteilung 24 gemäß Fig. 4 jeweils direkt in dem Nahbereich 18 um die jeweilige Position 19 des Positionierhilfsmittels angeordnet wird. So ist die Reaktion der jeweiligen Struktur mit hoher Geschwindigkeit, geringer Anzahl der je Fluoreszenzmarker emittierten Photonen und dennoch hoher Genauigkeit erfassbar.
  • Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung 33 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 33 weist einen Probenhalter 34 für die Probe 13 auf, mit dem die Probe 13 gegenüber einer Basis 35 verfahrbar ist, um sie gegenüber den weiteren basisfesten Bestandteilen der Vorrichtung 33 zu positionieren. Dieses Positionieren dient insbesondere zum Anfahren des jeweiligen Nahbereichs 18 um das jeweilige Positionierhilfsmittel. Konkret erfolgt die Positionierung gegenüber einer Intensitätsverteilung des Anregungslichts 25, das mit einem Objektiv 36 in die Probe fokussiert wird. Das Anregungslicht 25 wird von einer Lichtquelle 37 so bereitgestellt, dass sich beim Fokussieren mit dem Objektiv 36 die Intensitätsverteilung gemäß Fig. 4 in der Probe 13 einstellt. Dazu weist die Lichtquelle 37 neben einem Laser 38 Strahlformungsmittel 39 beispielsweise in Form einer sogenannten easySTED-Platte auf. Eine Abtasteinrichtung 40, die auch als Scanner bezeichnet wird, ist dazu vorgesehen, das Minimum 26 in der Probe innerhalb des jeweiligen Nahbereichs 18 zu verlagern. Ein zwischen der Lichtquelle 37 und der Abtasteinrichtung 40 angeordneter dichroitischer Strahlteiler 41 koppelt Fluoreszenzlicht 42 aus der Probe 13 zu einem konfokal angeordneten Detektor 42 aus. Eine Steuerung 43 steuert die Vorrichtung 33 zur automatischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere bei einem Drug Screening. Dabei kann die Vorrichtung 33 auch eine in Fig. 6 nicht dargestellte Zusatzvorrichtung aufweisen, um unterschiedliche Substanzen in die einzelnen Löcher 30 hineinzugeben. Die Steuerung 43 umfasst eine Auswerteeinrichtung 44, die die Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker in der Probe aus den für den jeweiligen Fluoreszenzmarker für die verschiedenen Positionen des Minimums registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts bestimmt.
  • Fig. 7 illustriert das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem nicht die Intensitätsverteilung 24 des Anregungslichts 25 das lokale Minimum 26 aufweist, sondern eine Intensitätsverteilung 48 von des Fluoreszenzverhinderungslichts 46. Dabei ist das von den Intensitätsmaxima 27 umgebene lokale Minimum 26 der Intensitätsverteilung 48 konzentrisch zu einem lokalen Maximum 47 der Intensitätsverteilung 24 des Anregungslichts 25 angeordnet. Hieraus resultiert eine räumlich begrenzte Verteilung 50 der Intensität des von dem jeweiligen Fluoreszenzmarker emittierten Fluoreszenzlichts 42 über dessen Abstand zu dem lokalen Minimum 26. Dabei ist die in Fig. 7 dargestellte Verteilung 50 Resultat einer Intensitätsverteilung 48 mit extrem hohen Intensitäten des Fluoreszenzverhinderungslichts 46 in den Maxima 27. Anders gesagt ist die Lichtintensitätsverteilung 48 in Fig. 7 in stark verkleinertem Maßstab dargestellt. Unter Verwendung der Verteilung 50 kann aus dem zu verschiedenen Positionen des lokalen Minimums 26 registrierten Fluoreszenzlicht 42 auf die Position des vereinzelten, das Fluoreszenzlicht 42 emittierenden Fluoreszenzmarkers geschlossen werden. Dazu kann eine die Verteilung 50 wiedergebende räumliche Funktion mit einem lokalen Maximum an die Intensitäten des registrierten Fluoreszenzlichts angefittet wird. Diese räumliche Funktion kann ebenfalls durch Abtasten des jeweiligen Fluoreszenzmarkers oder eines gleichartigen Fluoreszenzmarkers oder eines Positionierungshilfsmittels gleichen Wirkungsquerschnitts mit dem lokalen Minimum 26 und Registrieren des dabei aus der Probe emittierten Fluoreszenzlichts 42 bestimmt werden.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Markieren
    2
    Koppeln
    3
    Anregen
    4
    Registrieren
    5
    Bestimmen
    6
    Ändern
    7
    Struktur
    8
    Fluoreszenzmarker
    9
    Fluoreszenzmarker
    10
    Ankoppelstelle
    11
    Ankoppelplatz
    12
    Positionierhilfsmittel
    13
    Probe
    14
    Goldpartikel
    15
    Substanz
    16
    Abstand
    17
    Abstand
    18
    Nahbereich
    19
    Position des Positionierhilfsmittels
    20
    Position des Minimums
    21
    Position des Minimums
    22
    Position des Minimums
    23
    Position des Minimums
    24
    Intensitätsverteilung
    25
    Anregungslicht
    26
    Minimum
    27
    Maximum
    28
    Außenumfang
    29
    Fixpunkt
    30
    Loch
    31
    Zeile
    32
    Spalte
    33
    Vorrichtung
    34
    Probenhalter
    35
    Basis
    36
    Objektiv
    37
    Lichtquelle
    38
    Laser
    39
    Strahlformungsmittel
    40
    Abtasteinrichtung
    41
    dichroitischer Strahlteiler
    42
    Fluoreszenzlicht
    43
    Steuerung
    44
    Auswerteeinrichtung
    45
    Detektor
    46
    Fluoreszenzverhinderungslicht
    47
    Maximum
    48
    Intensitätsverteilung
    50
    Verteilung
    I
    Intensität

Claims (15)

  1. Verfahren zum räumlichen Messen einer nanoskaligen Struktur in einer Probe (13) mit den Schritten:
    - Markieren (1) der Struktur an verschiedenen Stellen mit Fluoreszenzmarkern (8, 9),
    - Anregen (3) der Fluoreszenzmarker (8, 9) mit Anregungslicht (25) zur Emission von Fluoreszenzlicht (42) an der jeweiligen Position eines lokalen Minimums einer Intensitätsverteilung (48) von Fluoreszenzverhinderungslicht (46), wobei das lokale Minimum (26) an verschiedenen Positionen in einem Nahbereich (18) in der Probe (13) angeordnet wird, dessen Abmessungen nicht größer als die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts (25) und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts (42) sind,
    - Registrieren (4) des aus der Probe (13) emittierten Fluoreszenzlichts (42) für die verschiedenen Positionen des Minimums (20, 21, 22, 23) und
    - Bestimmen (5) von Positionen der Fluoreszenzmarker (8, 9) in der Probe (13) aus den für die verschiedenen Positionen (20, 21, 22, 23) des Minimums (26) registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts (42),
    gekennzeichnet durch
    - Registrieren (4) des aus der Probe (13) emittierten Fluoreszenzlichts (42) getrennt für die einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) und für die verschiedenen Positionen des Minimums (20, 21, 22, 23);
    - Bestimmen (5) von Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) in der Probe (13) aus den für den jeweiligen Fluoreszenzmarker (8, 9) für die verschiedenen Positionen (20, 21, 22, 23) des Minimums (26) registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts (42).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensitätsverteilung (24) des Anregungslichts (25) an der jeweiligen Position des lokalen Minimums der Intensitätsverteilung (48) des Fluoreszenzverhinderungslichts (46) ein Maximum aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Nahbereichs (18)
    - nicht größer als die Hälfte oder ein Viertel der Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts (25) und der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts (42) und/oder
    - nicht größer als eine Halbwertsbreite oder die Hälfte oder ein Viertel der Halbwertsbreite einer Verteilung (50) der Intensität des von dem jeweiligen Fluoreszenzmarker (8, 9) emittierten Fluoreszenzlichts (42) über dessen Abstand zu dem lokalen Minimum (26) sind.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) aus den für nicht mehr als 4n oder für nicht mehr als 3n oder für nicht mehr als 2n verschiedene Positionen (20, 21, 22, 23) des Minimums (26) registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts (42) bestimmt werden, wobei n die Anzahl der Raumrichtungen ist, in denen die Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) in der Probe (13) bestimmt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    - dass das Bestimmen (5) der Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) in der Probe (13) ein Anfitten einer ein lokales Maximum aufweisenden räumlichen Funktion an die für den jeweiligen Fluoreszenzmarker (8, 9) für die verschiedenen Positionen (20, 21, 22, 23) des Minimums (26) registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts (42) umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
    - dass die das lokale Maximum aufweisende räumliche Funktion unter Abtasten mindestens eines der oder eines weiteren Fluoreszenzmarkers (8, 9) mit dem Minimum (26) und Registrieren (4) des dabei aus der Probe (13) reflektierten Lichts oder emittierten Fluoreszenzlichts (42) bestimmt wird,
    - wobei, optional, die das lokales Maximum aufweisende räumliche Funktion unter zusätzlichem Abtasten des mindestens einen der oder des weiteren Fluoreszenzmarkers (8, 9) nur mit einem Maximum des Anregungslichts (25), das das Anregungslicht (25) an der jeweiligen Position des lokalen Minimums aufweist, und Registrieren (4) des dabei aus der Probe (13) reflektierten Lichts oder emittierten Fluoreszenzlichts (42) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Anregens, Registrierens (4) und Bestimmens (5) für mindestens eine erhöhte Intensität des Fluoreszenzverhinderungslichts (46) wiederholt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzmarker (8, 9), mit denen die Struktur (7) an verschiedenen Stellen markiert wird, ausgewählt werden aus
    - Fluoreszenzmarkern (8, 9), die sich in ihrem Anregungsspektrum und/oder ihrem Emissionsspektrum unterscheiden, und
    - Fluoreszenzmarkern (8, 9), die einen aktiven Zustand, in dem sie mit Anregungslicht (25) zur Emission von Fluoreszenzlicht (42) anregbar sind, und einen inaktiven Zustand, in dem sie zumindest mit demselben Anregungslicht (25) nicht zur Emission von Fluoreszenzlicht (42) anregbar sind, aufweisen und die zwischen ihrem aktiven und ihrem inaktiven Zustand überführbar sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzmarker (8, 9) vor dem getrennten Registrieren (4) des aus der Probe (13) emittierten Fluoreszenzlichts (42) für die einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) vereinzelt werden, indem
    - ein Teil der Fluoreszenzmarker (8, 9) mit Schaltlicht aus einem aktiven Zustand der Fluoreszenzmarker (8, 9) in einen inaktiven Zustand der Fluoreszenzmarker (8, 9) und/oder
    - ein Teil der Fluoreszenzmarker (8, 9) mit Schaltlicht aus einem inaktiven Zustand der Fluoreszenzmarker (8, 9) in einen aktiven Zustand der Fluoreszenzmarker (8, 9) geschaltet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nahbereich (18) mit anderen Mitteln zur Relativverlagerung des Minimums (26) gegenüber der Probe (13) angefahren wird als die Positionen des Minimums (20, 21, 22, 23) innerhalb des Nahbereichs (18).
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Struktur an ein einzelnes Positionierhilfsmittel (12) gekoppelt wird, dessen Position (19) in der Probe (13) bekannt ist und/oder nach dem Koppeln (2) aus von dem Positionierhilfsmittel (12) reflektiertem Licht bestimmt wird, wobei der Nahbereich (18) um die bekannte Position (19) des jeweiligen Positionierhilfsmittels (12) angeordnet wird,
    - wobei, optional, die Position (19) des Positionierhilfsmittels (12) relativ zu Fixpunkten (29) der Probe (13) festliegt und der Nahbereich (18) oder die Positionen des Minimums (20, 21, 22, 23) innerhalb des Nahbereichs (18) relativ zu dem Fixpunkt (29) der Probe (13) angefahren wird/werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Fluoreszenzmarker (8, 9) aus Fluoreszenzmarkern (8, 9) ausgewählt werden, die in der Probe (13) beweglich sind und die sich einzeln an verschiedenen Stellen an die Struktur (7) anlagern, und
    - dass die Fluoreszenzmarker (8, 9) der Probe (13) in solcher Konzentration und/oder in einer solchen räumlichen Verteilung zugesetzt werden, dass sie sich nacheinander einzeln an die Struktur (7) anlagern,
    - wobei optional
    - die Fluoreszenzmarker (8, 9) beim Anlagern an die Struktur aus einem inaktiven Zustand, in dem sie mit dem Anregungslicht (25) nicht zur Emission von Fluoreszenzlicht (42) anregbar sind, in einen aktiven Zustand, in dem sie mit dem Anregungslicht (25) zur Emission von Fluoreszenzlicht (42) anregbar sind, überführt werden und/oder
    - sich die Fluoreszenzmarker (8, 9) nur temporär an die Struktur (7) anlagern und/oder bei längerem Einwirken des Anregungslichts (25) und/oder des Fluoreszenzverhinderungslichts (46) anhaltend in einen Dunkelzustand überführt werden.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Schritte (= MinFlux) durchgeführt werden:
    - Anregen der Fluoreszenzmarker (8, 9) mit Anregungslicht (25) zur Emission von Fluoreszenzlicht (42), wobei die Intensitätsverteilung (24) des Anregungslichts (25) das lokale Minimum (26) aufweist, das an verschiedenen Positionen in der Probe (13) angeordnet wird,
    - Registrieren (4) des aus der Probe (13) emittierten Fluoreszenzlichts (42) getrennt für die einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) und für die verschiedenen Positionen des Minimums (20, 21, 22, 23) der Intensitätsverteilung (24) des Anregungslichts (25) und
    - Bestimmen (5) der Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) in der Probe (13) aus den für den jeweiligen Fluoreszenzmarker (8, 9) für die verschiedenen Positionen (20, 21, 22, 23) des Minimums (26) der Intensitätsverteilung (24) des Anregungslichts (25) registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts (42).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zueinander komplementäre Intensitätsverläufe des von den einzelnen Fluoreszenzmarkern (8, 9) aus der Probe (13) emittierten Fluoreszenzlichts (42), die sich einerseits über den verschiedenen Positionen des Minimums (20, 21, 22, 23) der Intensitätsverteilung (48) des Fluoreszenzverhinderungslichts (46) und andererseits über den verschiedenen Positionen des Minimums (20, 21, 22, 23) der Intensitätsverteilung (24) des Anregungslichts (25) ergeben, beim Bestimmen (5) der Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) in der Probe (13) miteinander abgeglichen werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Positionen der einzelnen Fluoreszenzmarker (8, 9) in der Probe (13), die aus den
    - für den jeweiligen Fluoreszenzmarker (8, 9) für die verschiedenen Positionen (20, 21, 22, 23) des Minimums (26) der Intensitätsverteilung (48) des Fluoreszenzverhinderungslichts (46) registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts (42) oder
    - den für den jeweiligen Fluoreszenzmarker (8, 9) für die verschiedenen Positionen (20, 21, 22, 23) des Minimums (26) der Intensitätsverteilung (24) des Anregungslichts (25) registrierten Intensitäten des Fluoreszenzlichts (42)
    bestimmt werden, bei der Festlegung der Positionen berücksichtigt werden, an denen Anschließend das andere Minimums (26) der Intensitätsverteilung (24) des Anregungslichts (25) bzw. der Intensitätsverteilung (48) des Fluoreszenzverhinderungslichts (46) angeordnet wird.
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